Wdo99.

dr inŜ. Jacek Wdowicki, Artur Tomaszewski, dr inŜ. ElŜbieta Wdowicka
Politechnika Poznańska
POSTPROCESOR WSPOMAGAJĄCY OCENĘ WYTĘśENIA
ŚCIAN BUDYNKU
Postprocesor BW7S jest częścią systemu obliczania konstrukcji BW-7[3,4].
Na podstawie danych generowanych przez system program wizualizuje
rozkład napręŜeń w ścianach konstrukcji usztywniającej, co w istotny
sposób ułatwia sprawdzenie poprawności jej zaprojektowania.
POSTPROCESSOR APPROPRIATE FOR
THE STRESS DISTRIBUTION IN SHEAR WALLS EVALUATION
The BW7S postprocessor is included in the system BW-7 [3,4] for the shear
wall structures analysis. On the basis of the data generated by the system
the postprocessor program visualizes stress distribution in the walls of
the structure. It gives essential facilities for verification of the structure
designing correctness.
1. WSTĘP
Postprocesory stosuje się w projektowaniu budowlanym dla osiągnięcia następujących celów:
• skrócenie czasu projektowania (szybciej analizuje się rysunek aniŜeli nawet dobrze
zredagowane tabele liczbowe),
• zmniejszenie ryzyka błędu w projektowaniu (przez zminimalizowanie nakładu pracy
rutynowej, wywołującej znuŜenie, jak np. wyszukiwanie ekstremalnej wartości napręŜenia
w wynikach systemu obliczeniowego),
• ulepszenie projektu przez wskazanie projektantowi słabych miejsc konstrukcji (w zakresie
napręŜeń i przemieszczeń), tzn. miejsc konstrukcji wymagających wzmocnienia.
Pre- i postprocesory, jak kaŜde inne programy uŜytkowe, powinny być intuicyjne w działaniu
i łatwe do opanowania. Pisząc postprocesor BW7S, starano się spełnić te wymagania
w moŜliwie maksymalnym stopniu.
Program BW7S jest postprocesorem graficznym, napisanym w języku Pascal [1,2,5] . Dane
wejściowe programu stanowi plik z rozszerzeniem *.d-r (generowany przez system). Plik ten
zawiera m.in.: liczbę punktów tworzących ściany konstrukcji i ich współrzędne (x, y), liczbę
ścian i elementów, indeks przynaleŜności ściany do danego elementu, jednostkę siły
i długości, minimalną i maksymalną wartość napręŜenia danego rodzaju w całym układzie
usztywniającym oraz dane opisujące napręŜenia. Budując program przyjęto, Ŝe połączone
ściany tworzą element, ściana jest natomiast podzielona na fragmenty o stałej wartości
napręŜenia.
2. EKRAN POSTPROCESORA
Ekran postprocesora podzielony jest na kilka okien. Pierwsze z nich, znajdujące się w górnej
części ekranu, zawiera opis konstrukcji, na który składają się cztery linie (ciągi
alfanumeryczne), przy czym ostatnia linia opisu odseparowana jest od pozostałych. PoniŜej
znajduje się okno, zawierające dane o minimalnej i maksymalnej wartości napręŜenia danego
rodzaju w całej konstrukcji usztywniającej, obejmujące wartość napręŜenia oraz numery
elementu, ściany i punktu, w którym to napręŜenie występuje. Są to dwie linie tekstu, kaŜda
dla jednego z ekstremalnych napręŜeń. W prawej części ekranu znajduje się podłuŜne okno
zawierające: numer schematu / wariantu (schematu obciąŜeń lub wariantu ekstremum), opis
rodzaju napręŜeń (mogą to być ciągi: „sigma_z”, „tau”, „sigma_1”, „sigma_2”) i ich
jednostki, numer rzędnej oraz skalę graficzną, prezentującą dziesięć przedziałów i zakresy
wartości napręŜeń dla kaŜdego z przedziałów. Główną rolę odgrywają dwa największe okna,
zatytułowane „Plik” i „Element”. Pierwsze z nich (z lewej strony ekranu), w nagłówku
którego wypisana jest nazwa danych wejściowych, pokazuje rzut całej konstrukcji
usztywniającej, przy czym element „aktywny” wyróŜniony jest innym kolorem. Element ten
pokazany jest w powiększeniu w oknie „Element” a „aktywna” ściana tego elementu
podświetlona jest innym kolorem, podobnie jak w poprzednim przypadku. Nagłówek
opisywanego okna zawiera numer powiększonego w nim elementu. Ostatnie okno
postprocesora zawiera rzut „aktywnej” ściany oraz dane ją opisujące, na które składają się:
numery punktów krańcowych ściany i ich współrzędne, wartości napręŜeń w tych punktach,
a takŜe numer ściany w budynku i w elemencie. W prawym dolnym rogu ekranu znajduje się
menu, zapewniające wygodną interakcję z uŜytkownikiem.
Ekran dostosowuje się do wczytywanych danych. JeŜeli plik wejściowy nie zawiera danych
opisujących rozkład napręŜenia w ścianach układu usztywniającego, to na ekranie widoczne
są tylko okna: „Plik”, „Element”, „Ściana” , okno z opisem obiektu oraz menu (Rys. 1). W
tym przypadku rysowane są oczywiście tylko kontury ścian tworzących konstrukcję. RóŜni
się takŜe menu: nie ma w tym trybie moŜliwości zmiany schematu / wariantu, rzędnej i typu
napręŜenia. JeŜeli natomiast plik wejściowy zawiera kompletne dane, to na ekranie widoczne
są wszystkie opisane wcześniej okna. Ściany podzielone są wówczas na kolorowe fragmenty,
obrazujące rozkład napręŜenia (Rys. 2).
Uwaga:
W dalszej części artykułu przyjęto, Ŝe pod pojęciem „aktywny” element rozumie się element
który narysowany jest w oknie „Element”, a określenie „aktywna” ściana oznacza ścianę
narysowaną w oknie „Ściana”.
Rys. 1 Ekran postprocesora bez napręŜeń
Rys. 2. Ekran postprocesora z napręŜeniami
3. URUCHOMIENIE I OBSŁUGA POSTPROCESORA
Postprocesor uruchamia się przez wykonanie komendy:
BW7S <dane wejściowe>
gdzie parametr <dane wejściowe>
polecenia:
jest numerem danych wejściowych. Np. wykonanie
BW7S 13
spowoduje uruchomienie postprocesora i automatyczne wczytanie pliku z danymi o nazwie
„bw7-13.d-r”. W przypadku pominięcia parametru wywołania, program „poprosi” o podanie
numeru danych wejściowych. JeŜeli dane o podanym numerze nie istnieją w bieŜącym
katalogu (czyli w katalogu w którym znajdują się wszystkie pliki postprocesora), program
przerwie swoje działanie i wyświetli odpowiedni komunikat. W trakcie działania programu
uŜytkownik moŜe wydawać swoje polecenia za pomocą klawiatury. Obsługa menu
postprocesora następuje przy uŜyciu tzw. klawiszy kursora („w górę”, „w dół”, „w lewo”,
„w prawo”) i klawisza ENTER. Menu składa się z ośmiu następujących opcji: „plik”,
„schem./war.”, „napręŜenie”, „rzędna”, „element”, „ściana”, „osie układu”, „tło”.
3.1. Opcja „plik”
Opcja ta umoŜliwia zmianę danych wejściowych w trakcie działania programu. Po
naciśnięciu klawisza ENTER (gdy podświetlony jest napis „plik” w menu), na środku ekranu
pojawia się okno z nagłówkiem „Podaj numer danych”. UŜytkownik musi wówczas
wprowadzić numer, którego znaczenie jest identyczne z parametrem wywołania programu,
lub nacisnąć klawisz ESCAPE w celu zaniechania wykonania tej operacji. Po wprowadzeniu
odpowiedniego numeru, postprocesor wczyta nowy plik. Np. wprowadzenie numeru 16
spowoduje wczytanie danych zawartych w pliku o nazwie „bw7-16.d-r”. Jako „aktywny”
element i „aktywna” ściana ustalone zostaną element i ściana o numerze 1.
3.2. Opcja „schem./war.”
Tutaj za pomocą klawiszy kursora zmieniać moŜna schemat obciąŜeń lub wariant ekstremum.
Po wczytaniu nowych danych wyświetlany jest schemat nr 1. Naciśnięcie klawisza
„w prawo” spowoduje zwiększenie numeru schematu o 1. JeŜeli numer ten osiągnie wartość
będącą liczbą schematów, wówczas kolejne naciśniecie klawisza „w prawo” spowoduje
wyświetlenie wariantu nr 1. Od tego momentu zwiększany będzie numer wariantu, aŜ do
osiągnięcia wartości będącej liczbą wariantów. Wtedy ponownie wyświetlane będą schematy.
Analogicznie przedstawia się sytuacja w przypadku klawisza „w lewo”. Numery schematu
lub wariantu będą wówczas zmniejszane o 1, aŜ do momentu osiągnięcia wartości 1.
3.3. Opcja „napręŜenie”
Ta opcja umoŜliwia zmianę rodzaju pokazywanego napręŜenia. Podobnie jak w poprzednim
przypadku dokonać tego moŜna tylko za pomocą klawiszy kursora. Przy naciskaniu przycisku
„w prawo” napręŜenia zmieniać się będą w następującej kolejności: „sigma_z” (napręŜenia
normalne), „tau” (napręŜenia styczne), „sigma_1”, „sigma_2” (napręŜenia główne) gdy
wyświetlane są schematy i „max_sigma_z”, „min_sigma_z”, „max_tau”, „min_tau” gdy
wyświetlane są warianty, natomiast przy naciskaniu przycisku „w lewo” – w kolejności
odwrotnej. Zmiana rodzaju napręŜenia spowoduje zmianę zawartości okien „Plik”, „Element”
i „Ściana” (zmiana rozkładu napręŜeń w ścianach) oraz zakresów wartości napręŜeń na skali
graficznej.
3.4. Opcja „rzędna”
Opcja ta umoŜliwia zmianę rzędnej. Zmiany tej moŜna dokonać tylko za pomocą klawiszy
kursora. Naciśnięcie klawisza „w prawo” spowoduje zwiększenie, a klawisza „w lewo” –
zmniejszenie rzędnej.
3.5. Opcja „element”
UŜytkownik moŜe zmienić tutaj element, który powiększony zostanie w oknie „Element”. Po
naciśnięciu klawisza ENTER, na ekranie pojawia się okno dialogowe, pozwalające na
wprowadzenie numeru elementu, który ma być powiększony. UŜytkownik moŜe takŜe
przeglądać kolejno wszystkie elementy układu usztywniającego, uŜywając klawiszy kursora:
„w prawo” – następny, „w lewo” – poprzedni element. Po wyborze odpowiedniego elementu,
zostaje on podświetlony w oknie „Plik”, a jako ściana „aktywna” ustalona zostaje ściana nr 1
tego elementu.
3.6. Opcja „ściana”
Za pomocą tej opcji zmienić moŜna ścianę rysowaną w oknie „Ściana”. Podobnie jak
w poprzednim przypadku moŜna uczynić to na dwa sposoby: za pomocą klawisza ENTER
i klawiszy kursora. Kiedy po naciśnięciu klawisza ENTER pojawi się okno dialogowe, moŜna
podać numer interesującej nas ściany w budynku (konstrukcji usztywniającej) lub w
elemencie. Przyjęto tu następującą składnię dla opisu ściany:
Składnia
<numer>
[E]<numer1>.< numer2>
Znaczenie
Ściana o numerze <numer> w budynku
Ściana o numerze <numer2> w elemencie
<numer1>
Po wpisaniu np. „E5.2” wyświetlona zostanie ściana nr 2 elementu 5. W oknie „Element”
narysowany zostanie wówczas element nr 5 z podświetloną ścianą 2. Z drugiej strony
wprowadzenie np. numeru „12” spowoduje wyświetlenie ściany nr 12 w budynku w oknie
„Ściana” i odpowiadającego jej elementu w oknie „Element”. Zmiana „aktywnej” ściany za
pomocą klawiszy kursora („w lewo” / „w prawo”) następuje w obrębie „aktywnego”
elementu.
3.7. Opcja „osie układu”
Za pomocą tej opcji wyświetlić moŜna w oknie „Plik” osie układu współrzędnych oraz osie
główne elementów usztywniających, których początkiem są: środek cięŜkości i środek
ścinania, w oknie „Element”. Standardowo po uruchomieniu programu osie nie są rysowane.
Naciśnięcie klawisza ENTER powoduje wyświetlenie osi układu współrzędnych (Rys. 2), a
ponowne naciśnięcie powoduje przerysowanie okna „Plik” bez osi.
Rys. 3 Ekran postprocesora bez napręŜeń po zastosowaniu opcji „tło”
Rys. 4 Ekran postprocesora z napręŜeniami po zastosowaniu opcji „tło”
3.8. Opcja „tło”
Ekran kolorowy nie najlepiej nadaje się do wydruku (szczególnie za pomocą czarno-białej
drukarki). Z tego powodu program posiada opcję pozwalająca na zmianę tła programu z
kolorowego na białe (i odwrotnie). Naciskając klawisz ENTER moŜna zmieniać liczbę
kolorów wyświetlanych na ekranie. Ekran postprocesora po wybraniu tej opcji pokazują
rysunki 3 i 4.
Uwagi:
1. Zmiany poszczególnych opcji menu dokonuje się za pomocą klawiszy kursora „w górę”
i „w dół” lub klawisza tabulacji TAB.
2. Zakończenie działania programu następuje poprzez naciśnięcie przycisku ESCAPE.
4. DZIAŁANIE POSTPROCESORA
Po wczytaniu danych z pliku wejściowego uruchamiane są procedury przygotowujące te dane
do późniejszego wykorzystania przez procedury rysujące okna programu (np. podział ścian na
fragmenty, w których występują napręŜenia z jednego przedziału napręŜeń). Dla przykładu
podana zostanie zasada działania procedury rysującej całą konstrukcję usztywniającą w
oknie „Plik”. Procedura ta wyznacza najpierw minimalne i maksymalne wartości
współrzędnych (x, y) wszystkich punktów, tworzących ściany konstrukcji oraz maksymalną
szerokość ściany. Na podstawie tych danych oraz wysokości i szerokości okna, w którym
rysowany będzie układ usztywniający, obliczana jest liczba jednostek ekranowych,
przypadająca na rzeczywistą jednostkę długości. Mając tę liczbę moŜna juŜ przeliczyć
współrzędne rzeczywiste na współrzędne ekranowe. Narysowanie całej konstrukcji wymaga
wywołania procedury rysującej ścianę dla wszystkich ścian konstrukcji. PoniewaŜ ściana
podzielona jest na fragmenty, narysowanie jej sprowadza się do iteracyjnego narysowania
wszystkich fragmentów i konturu ściany w odpowiednim kolorze. Rysując fragment lub
ścianę program „dysponuje” współrzędnymi dwóch punktów krańcowych: (x1, y1) i (x2, y2)
oraz grubością ściany / fragmentu (w). Rysunek 3 pokazuje, w jaki sposób na podstawie tych
danych wyznaczane są współrzędne wierzchołków ściany / fragmentu.
Rys. 5. Wyznaczanie współrzędnych wierzchołków ściany
Fragmenty wyodrębnia się ze ścian przez punkty, w których napręŜenia są równe:
σ = σmin + D * n
gdzie:
D = (σmax – σmin ) / 10 ,
n = 0, 1, 2, ... , 10 ,
σmin – minimalna wartość napręŜenia danego rodzaju w całym układzie usztywniającym,
σmax – maksymalna wartość napręŜenia danego rodzaju w całym układzie usztywniającym.
Dla kaŜdego fragmentu podany jest więc przedział napręŜenia. Numer tego przedziału (od 1
do 10) decyduje o kolorze, w jakim dany fragment będzie narysowany. Kolory te
i odpowiadające im przedziały napręŜeń pokazane są na skali w prawej części ekranu.
5. PODSUMOWANIE
Postprocesor BW7S umoŜliwia skrócenie pracochłonnej i uciąŜliwej analizy wyników
otrzymanych w wyniku działania systemu BW-7, przeznaczonego do analizy
wytrzymałościowej konstrukcji usztywniających w budynkach wielokondygnacyjnych [3,4] .
Postprocesor dzięki wizualizacji rozkładu napręŜeń w poszczególnych ścianach konstrukcji
ułatwia ocenę jej wytęŜenia. MoŜe być takŜe uŜyty do sprawdzenia poprawności danych
opisujących konstrukcję, podanych przez projektanta.
6. LITERATURA
1. Bogenschütze P.M.: Borland & Turbo Pascal 7.0. Podstawy profesjonalnego
programowania, SIGMA NOT, Warszawa 1994.
2. Marciniak A.: Borland Pascal 7.0, Nakom, Poznań 1993.
3. Wdowicki J., Wdowicka E.: Analiza statyczna przestrzennych układów ścianowych
z nadproŜami. Część IV. System programów komputerowych, Met. Komp. w InŜ. Ląd., 3,
2 (1993) 9-33.
4. Wdowicki J., Wdowicka E.: System of programs for analysis of three-dimensional shear
wall structures, The Structural Design of Tall Buildings, 2, 4 (1993) 295- 305.
5. Wykłady z języka Pascal: http://www.tsoft.unicom.pl/pascal/wyklady.htm.