STAAD-III véges elemes program Gyakorlati tapasztalatok a FÕMTERV Rt.-nél A cikkben számtalan konkrét tervezõi munka közül válogatva rövid áttekintést nyújtunk felhasználói szemmel a STAAD-III kimondottan építõmérnöki célú térbeli véges elemes program lehetõségeirõl, használatáról. Sokat tud, egyszerûen megtanulható, rendkívül gyors, a nagy feladatoknál nélkülözhetetlen. Cégünk Magyarország egyik legnagyobb és legpatinásabb építõipari tervezõ vállalata, így a számítástechnika alkalmazása területén is gyorsan lépett. Igen régen használunk tervezõ- és rajzolóprogramokat és a piaci kínálatot folyamatosan figyeljük. A szerkezettervezés területén már régóta használunk statikai programokat, de ezek a tervezési feladatok egy-egy részterületét oldják meg, ( lemez-, tárcsa-, síkbeli ill. térbeli keretprogramok ). Ezekkel a programokkal a nagyobb lélegzetû, bonyolultabb geometriájú, esetleg speciális anyagi tulajdonságokkal jelentkezõ komplex feladatok csak jelentõs egyszerûsítés és ezáltal túlméretezés árán oldhatók meg. Ezért azután nagyon megörültünk, amikor 1993-ban a Magyarországon akkoriban debütáló programot kipróbálásra és tesztelésre megkaphattuk a HungaroCAD Kft.-tõl. Az akkori 15.0-ás változat DOS alapú volt, VGA felbontásban, jelenleg a 22.3-as 32 bites változat Windows 95 és Windows NT környezetben fut. Ennek az amerikai Research Engineers Inc. által kifejlesztett programnak akkoriban is már mintegy 15.000 felhasználója volt világszerte, és több szerkezettervezõ szoftver ( pl. a Sortdesk Steel Detailer, StruCAD ) is ezt használta és használja ma is futtató-méretezõ programként, kihasználva az egyszerû csatlakozási felületet. A STAAD-III adatfájlja ugyanis ASCII formátumú, tehát jól olvasható, részletesen dokumentált parancsnyelve és szintaktikája segítségével egyszerûen generálható, valamint egy kis jártassággal bármely egyszerû szövegszerkesztõvel (Notepad, NE, Dos Editor, stb.) elõállítható. A szerkezet geometriája a programon belüli grafikus felülettel, a már említett szerkezettervezõ programokkal, vagy az AutoCAD-ben elõállított DXF fájlt importálva adható meg. Az eredmények plotterrre nyomtathatók, WMF ill. 3 és 2 dimenziós DXF-be menthetõk a továbbfeldolgozás céljából. Az elsõ megoldott feladatok Már az elején mély vízbe dobtuk a programot részben a budapesti Expo-val, valamint a Lágymányosi híd kapcsolódó számos létesítmény tervezésével kapcsolatban. Itt szereztük meg az elsõ tapasztalatokat a térbeli hálózatok generálásában valamint a rúd- és héjelemek kombinálásában. Az elsõ bonyolult mûtárgy a Lágymányosi híddal kapcsolatosan megépült Gubacsi úti közúti felüljáró volt, amely a szárny- és támfalakkal egybeépített nagy ferdeségû, középen oszlopsorral alátámasztott monolit vasbeton szerkezet, amely a zsugorodásra valamint a hõmérsékletváltozásra rendkívül érzékeny ( 1. ábra ). Ennek egységes egészként történõ számítására eddig nem volt lehetõségünk.
Érdekes feladat volt a sajnos elmaradt budapesti Expo Nádorkerti úti aluljárójának terve, amelynél elõször hasonlítottuk össze a keskeny oszlopok véges elemes valamint merev tárcsában végzõdõ rúdmodelljét ( 2. ábra ), és arra a következtetésre jutottunk, hogy a hosszirányú tárcsafeszültségekbõl visszaszámolt hajlítónyomaték alig 10%-al tért el a rúdmodellbõl számítottól. 1993-ban cégünk STAAD-al megerõsített hidász csapata az angol Maunsell céggel társulva elindult az Expo gyaloghíd pályázatán. Az elképzelt szerkezet egy nagyon szép aszimmetrikus ferde kábeles híd volt, melynek fõtartója a Maunsell által ajánlott könnyen szerelhetõ mûanyag térrács, ragasztott csomópontokkal készült. Elõször a térrács 1 kábelköznyi modelljével meghatároztuk a helyettesítõ fõtartó keresztmetszeti területét és hajlítási inerciáját ( 3. ábra ), majd a további számítást az új modellen végeztük, ahol a STAAD több számunkra új funkcióját próbálhattuk ki. Itt használtuk elõször a Kábel elemeket, amelyeknél a kábel megadott rugalmassági modulusa, geometriája (hossza, ferdesége), folyómétersúlya valamint az elõfeszítés mértékének ismeretében a program ún. helyettesítõ rugalmassági modulust generál Mozgó terhek generálását (a hossz- és keresztirányú tengelytávolság, a terhek nagysága leírásával), és ennek alapján a nyomatéki maximálábrák készítését ( 4. ábra ) A geometriai másodrendû elmélet alkalmazását. Pályázatunk III. díjban részesült és a legalaposabb statikai vizsgálatot felmutató pályázatként értékelték. Nagyobb munkák A következõ években már profi felhasználóként egyre bonyolultabb szerkezeteket számoltunk. 1995-ben a Szuezi csatorna fölötti elforgatható rácsos fõtartós ferde kábeles vasúti híd lehetõségét vizsgáltuk ( 5. ábra ), periodikusan ismétlõdõ rácsozattal. A feladatból ugyan nem lett megbízás, mégis érdekes és tanulságos munka volt egy ekkora rácsos híd, középen ideiglenes nyomatékbíró kapcsolattal. A STAAD grafikus felületének héjelem- és rúdhálózat generáló funkciója széles lehetõséget biztosít az építõmérnöki gyakorlatban leggyakrabban elõforduló geometriai alakzatok generálására, néhány paraméter megadásával: Gyakorlatilag az összes elõforduló rácsozattípus, esetleg térben több egymáshoz kapcsolva ( pl. az ábrán látható rácsos híd ) Síkbeli ill. térbeli merõleges raszterû keretek Rudakból szerkesztett álló és fekvõ körhenger ill. héjelemekbõl álló körhengerhéj, ill. az ezekbõl képezhetõ forgásszimmetrikus alakzatok ( pl. egy kristály pezsgõspohár modellje ), valamint körgyûrû XY, YZ, XZ síkú derékszögû lemezmezõk Az ún. szuperelem használatával tetszõleges 4 csomópontú (általános négyszög) valamint 8 csomópontú (görbe oldalú négyszög) tartomány behálózása. Ezek kombinációjaként a gyakorlati feladatok nagy része lefedhetõ, természetesen az elemek ill. csomópontok kiválasztott csoportját mozgatni, tükrözni, elforgatni, másolni és törölni is lehet. A kiválasztott mûvelethez segítségként a szerkezet kijelölt
része letakarható, így csak az aktuális részt láthatjuk a sokszor elég bonyolult térbeli alakzatból. A Szabadság-híd statikai felülvizsgálatát 1995-ben végeztük el, melynek során bebizonyosodott, hogy a szerkezet fõtartója bármennyi villamost elbír ( 6. ábra ). A vizsgálat kiterjedt a hossz és kereszttartók vizsgálatára is. A rácsos hálózat generálását itt is kihasználtuk. A Margit-híd felújításával kapcsolatban 1997-ben a szigeti bejáratnál a pálya kiszélesítésével kapcsolatban a teljes nyílás ( 7. ábra ) szerkezeti elemeinek ( acél fõtartók, oszlopok, stb. ), valamint a vasbeton pályalemez ( 8. ábra )feszültségeinek vizsgálatára került sor. Míg a teljes szerkezete koordinátásan vittük fel a rendelkezésre álló tervek alapján, addig a konzol hálózatát a szuperelemek segítségével végeztük el, ami az ábra alapján jól látszik. Új STAAD verzió, új lehetõségek Ma már a 22.3-as verzióval számolunk, amely Windows-os, sokkal gyorsabb, mint a korábbiak. Az új változattal néhány új funkció is megjelent, amelyek eddig igencsak hiányoztak a tervezõknek: Rugalmas ágyazás generálása az adott tartományban Ferde támaszok Csukló a hajlított héjelemekben ( pl. csuklós többtámaszú lemezhíd ) Csak húzott ( pl. szélrács ), ill. csak nyomott rúdelemek ( pl. talajrudak ) STAPLE script nyelv, mellyel tetszõleges nyelvû és tartalmú eredménylisták és ASCII fájlok generálhatók pl. táblázatkezelõ programban való továbbfeldolgozás céljára. 8 csomópontú test-elem ( egyelõre sajnos csak kézi bepötyögéssel megadható On-line kézikönyv Riportok ( sorbarendezett célirányos lekérdezések ) készítése a STAAD adatbázisából. Idõközben a programnak már kb. 30.000 licence van már a világ minden pontján. A program sebességének és tárkihasználásának növekedtével egyre részletesebb modellek megalkotására nyílott lehetõség, már a 7-8000 csomópontú szerkezetek megoldása is reálissá vált. A futásidõkre jellemzõ táblázatot csak esetleges összehasonlítás végett közöljük. A síkbeli feladatok 2 eltolódási és 1 elfordulási, a födém típusúak 1 eltolódási és 2 elfordulási, a rácsos feladatok 3 eltolódási, míg a térbeliek mind a 6 elmozdulási szabadságfokot tartalmazzák. Szerkezet jellege Csomópontszám Elem+rúdszám Futásidõ Síkbeli 471 420 5 mp Födém 576 529 16 mp Térbeli 852 771 31 mp Síkbeli 1215 1280 18 mp Térbeli 1241 1200 32 mp Térbeli 1475 1464 5 perc 5 mp
Térbeli 1873 1780 1 perc 27 mp Térbeli 2117 3239 8 perc 5 mp Térbeli 2769 2661 3 perc 42 mp Térbeli 5473 6702 16 perc 16 mp Térbeli 7048 7320 51 perc 14 mp Az új Nemzeti Színház alapozása nem kis feladat volt számunkra, mert az alaplemez dilatáció nélküli és igen nagy kiterjedésû. A terhek elrendezése nem periodikus és nagyságuk rendkívül változó, ezért egyszerûsítésre alig volt lehetõség. Az alaplemezt a legfontosabb teherhordó falakkal együttdolgozó rugalmas ágyazású lemezként oldottuk meg, természetesen térbeli modellel ( 9. ábra ). Szerencsére a futásidõk a 2-3000-es csomópontszám ellenére 5 percen belül maradtak, így rövid idõn belül több változat kipróbálását tették lehetõvé. A színház fõépületéhez csatlakozó szabadtéri színpad végeselem-hálózatának generálásánál a körhengerhéj sablon megfelelõ paraméterezésével képzett henger- és körgyûrû darabokat használtuk ( 10. ábra ). Ennek a kis szabálytalan íves lépcsõnek az erõjátéka nehezen megfejthetõ lett volna egy térbeli véges elemes program nélkül Az ortotróp lemezes hidak esetében még a bordákat is modellezni tudjuk, így a globális (fõtartó) hatásokon túl egészen finom részletekig e tudunk menni. Erre szükség is van, mert ebben az esetben a kereszttartókat a bordák áttörik. A Csepelre átvezetõ Kvassay Duna-ág híd kiviteli tervénél igen sok részletet tisztáztunk a program segítségével. Ebben az esetben elsõnek a teljes hidat vittük be, a bordákat külpontos rúdelemként modelleztük a fõtartó-hatás vizsgálatához, második modellként a pályalemezt a kereszttartókkal és bordákkal ( 11. ábra ), majd néhány bordát nagyon sûrû hálózattal a lokális keresztirányú hajlítás vizsgálatához. Az M3-as autópálya Polgár és Oszlár közötti közúti öszvérszerkezetû Tiszahídjának számításánál a teljes híd egységes térbeli modelljét alkalmaztuk, beleértve a változó vastagságú vasbeton pályalemezt, a változó magasságú gerinclemezeket valamint a keresztirányban merevítõ diafragmákat is ( 12. ábra ). A többtámaszú szerkezeten a zsugorodásból származó kényszerigénybevételek és feszültségek vizsgálatára alkalmazott véges elemes modell vizsgálatára kísérleti futtatást végeztünk, melynek eredménye ( 13. ábra ) gyakorlatilag megegyezett az elméleti értékkel, tehát a modell helyességét igazolta. Az ábrán a bal oldalon van a csuklós támasz, a jobb oldal befogott szimmetriatengely, vagyis a középsõ támasznak felel meg. A programmal az eredmények szépen dokumentálhatók ( 14. ábra ), akár a szerkezet egy adott részét lemetszve feltárul a belsõ rész erõjátéka. Ez jól látszik a Hungária körúti lágyvasalású szekrénytartós vasúti hidak lehajlásvizsgálatához készült tanulmány ábrájából. Egyéb szakágak A programot ugyan elsõsorban a Hídiroda használja, de a csatorna tervezésnél is elkezdõdött a folyamat az egyedi tervezésû monolit vasbeton, vagy éppen az üvegszál erõsítésû vékony, hajlékony csõprofilok méretezésével. A csövek
számításánál ugyanúgy, mint a nyitott vagy zárt szelvényû alagutak, aluljárók számításánál, a csak nyomásnak ellenálló rúdelemnek vesszük nagy hasznát ( 15. ábra ). Rövid használati útmutató Amint az olvasó is látja, a STAAD-III programmal egy rendkívül hatékony, azonban igen egyszerû eszközt tarthat a kezében a statikus, amellyel a gyakorlati feladatok döntõ többsége igen gyorsan megoldható még egy FÕMTERV Rt. nagyságú vállalatnál is. A programot egyébként a MÁV Rt., A Pannon Freyssinet Kft. És az Olajterv is használja. A STAAD-III az eddig ismertetett funkciókon túl az EuroCode szerint acél- és vasbeton szerkezeti elemeket tervez és ellenõriz, anyagkimutatást készít, dinamikai vizsgálatokat végez ( sajátfrekvenciák, rezgésalakok, válaszspektrum-analízis, idõfüggõ terhek - time history analysis, statikus és dinamikus terhek algebrai valamint vektoros összegzése ) és beépített interaktív tervezõ moduljai is vannak ( támfal, kehelyalap, egyszerû derékszögû négyszög alakú vasbeton lemez tervezése). A program menürendszerének felépítése a földhözragadt statikus gondolatvilágát követi, a fõbb adatcsoportokon sorrendben átvezet, megtanulása rendkívül egyszerû és gyors: Geometria megadása ( rúd-, és végeselem-hálózat megadása, generálása) Keresztmetszeti jellemzõk ( rudaknál különbözõ szabványbéli hidegen hajlított vagy hengerelt szelvények, kör, négyszög, T keresztmetszet vagy elõre kiszámított inercia adatok ) Anyagjellemzõk ( rugalmassági modulus, poisson szám, sûrûség, hõtágulási együttható ) Támaszok ( merev vagy rugalmas komponensekkel, rugalmas ágyazással ) Egyéb jellemzõk ( rúdvégi kapcsolatok feloldása, rácsrudak, csak nyomásnak ill. húzásnak ellenálló rudak, kábelelemek kijelölése, stb.) Terhek megadása ( mozgó teher típusok definiálása, ebbõl thersorozat generálása, elsõdleges terhelési esetek, teherkombinációk, elsõdleges teheresetekbõl képzett kombinált elsõdleges terhek a II. rendû elmélet szerinti teherkombinációk vizsgálatához ). Nagyon sokféle tehertípus van, mind lokális irányban, mind globális, mind vetületi irányban (hóteher) megoszlók. Analízis típusának megadása ( elsõrendû, másodrendû ) A kinyomtatandó adatok, táblázatok, a készítendõ rajzok ( deformációs ábrák, sajátrezgés-alakok, nyomatéki ábrák, fajlagos lemez- és héjigénybevételek ) megadása Ismerjék meg Önök is, mert érdemes! A programot a HungaroCAD Kft. forgalmazza.