Zapewnienie zgodności projektów konstrukcji ze stali nierdzewnej z normami bezpieczeństwa
Według Esther Real, współkoordynatorki projektu New GeneSS, jedną z cech charakterystycznych procesu wytwarzania ram ze stali nierdzewnej stosowanych w konstrukcjach budowlanych i przemysłowych jest to, że każdy ich element jest oceniany indywidualnie. Jak twierdzi badaczka, ten czynnik często decyduje o tym, że opracowane projekty są nie tylko czasochłonne, ale i zbyt uproszczone. „Pod względem działania konstrukcje w rzeczywistości przypominają raczej organizm, gdzie belki, słupy i ich połączenia wzajemnie na siebie oddziałują. Gdy niektóre części nie wytrzymują pewnych obciążeń, są one przenoszone na inne elementy. Niestety tradycyjnym projektom brakuje tej dynamiki”, wyjaśnia Itsaso Arrayago, druga współkoordynatorka projektu. Celem projektu New GeneSS, zrealizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, były badania poszerzające wiedzę na temat zyskującego na popularności bardziej holistycznego podejścia zwanego „metodą projektowania bezpośredniego” (ang. Direct Design Method, DDM). Dzięki wykorzystaniu zaawansowanego oprogramowania do symulacji zespół projektu mógł z powodzeniem odpowiednio skalibrować czynniki bezpieczeństwa niezbędne do utrzymania poziomu ryzyka strukturalnego w granicach tolerancji określonych w europejskich przepisach. Wynikiem prac w projekcie jest też podręcznik projektowania dostosowany do potrzeb inżynierów i architektów.
Wyznaczanie norm bezpieczeństwa
Dzięki temu, że od niedawna na rynku dostępne są bardziej zaawansowane oprogramowania do analizy dynamicznej, projektanci kierujący się zasadami DDM zyskali możliwość dokładnego przewidywania, jak zachowa się cała złożona konstrukcja. Jednak zanim rozpoczęto projekt New GeneSS, nie istniały żadne standardy bezpieczeństwa gwarantujące zgodność projektów z europejskimi wymogami w tym zakresie. W związku z tym opracowaniem wytycznych dotyczących bezpieczeństwa zajęli się uczestnicy projektu New GeneSS. W tym celu zestawili dostępne dane dotyczące konstrukcji ze stali nierdzewnej, w szczególności informacje dotyczące materiałów, wymiarów i właściwości geometrycznych. „Mieliśmy otrzymać dane od producentów stali nierdzewnej, ale pandemia zmusiła nas do zmiany planów i analizy danych z poprzednich badań, co ewidentnie potwierdza, że zawsze należy przechowywać i raportować dane. Nigdy bowiem nie wiadomo, kiedy mogą się one przydać innym!”, zauważa Arrayago, na co dzień pracująca na Politechnice Katalońskiej (UPC) pełniącej rolę gospodarza projektu. Informacje, które udało się zebrać, zostały wykorzystane jako dane wejściowe do symulacji komputerowych wykonywanych za pomocą oprogramowania Abaqus opartego na metodzie elementów skończonych. Posłużyły one do oceny prawdopodobieństwa wystąpienia wad konstrukcyjnych w różnych scenariuszach. Po zbudowaniu dokładnego trójwymiarowego modelu dla różnych ram konstrukcyjnych – różniących się geometrią i przekrojem – zespół dodał następnie różne obciążenia. Aby określić prawdopodobne zachowanie konstrukcji, zastosowano przepisy budowlane – wraz z równaniami uwzględniającymi liczne kryteria, takie jak różne wysokości konstrukcji, warunki pogodowe czy położenie geograficzne. „Chcieliśmy określić maksymalne obciążenie, które każda konstrukcja może wytrzymać przed zawaleniem się, aby oszacować prawdopodobieństwo wystąpienia wad lub usterek. Parametry dotyczące bezpieczeństwa były mierzone na podstawie symulacji odtwarzającej konstrukcje o mniejszej wytrzymałości i znacznie większych obciążeniach, niż miałoby to miejsce w rzeczywistości”, dodaje Real. Łącznie przeprowadzono 8 000 wirtualnych testów.
Liczne korzyści
Wyniki projektu pomagają skrócić czas potrzebny do zaprojektowania bezpiecznych, innowacyjnych i bardziej wydajnych konstrukcji ze stali nierdzewnej. „Nasza analiza pokazała, że zastosowanie tej nowej metody projektowania bezpośredniego razem z naszymi wytycznymi pozwala zaoszczędzić średnio około 15 % materiałów w porównaniu z aktualnymi, bardziej tradycyjnymi metodami, przy czym w niektórych przypadkach oszczędności sięgają nawet 23 %”, podkreśla Arrayago. Oznacza to, że konstrukcje można wznosić taniej i szybciej, a dodatkowo ich szkodliwość dla środowiska jest mniejsza z uwagi na niższą emisją dwutlenku węgla związaną z produkcją materiałów. Opracowane w ramach projektu wytyczne dla inżynierów i architektów, specjalnie dostosowane do norm europejskich, amerykańskich i australijskich, zostały już bezpłatnie udostępnione. „Chociaż koncepcja DDM znajduje się nadal w fazie rozwoju i nie jest jeszcze uwzględniona w europejskich normach dotyczących konstrukcji ze stali nierdzewnej, nasze wytyczne dotyczące bezpieczeństwa mogą być już stosowane. Co ważne, trwają już prace nad włączeniem DDM do Eurokodów i udostępnieniem ich projektantom. Potrzebujemy jednak dalszych badań nad innymi materiałami, aby zapewnić spójność wszystkich europejskich specyfikacji projektowych”, mówi Real. Zespół pracuje obecnie nad rozszerzeniem swoich wytycznych dotyczących bezpiecznego projektowania zgodnie z koncepcją DDM, aby uwzględnić wyroby ze zwykłej stali konstrukcyjnej, a także nad rozwinięciem paradygmatu projektowania systemowego, aby obejmował układy konstrukcyjne inne niż ramy, w tym np. mosty.
Słowa kluczowe
New GeneSS, stal nierdzewna, analiza dynamiczna, projektowanie bezpośrednie, bezpieczeństwo
