Wdo00.

dr inŜ. Jacek Wdowicki, inŜ. Artur Tomaszewski, dr inŜ. ElŜbieta Wdowicka
Politechnika Poznańska
PREZENTACJA WYNIKÓW W SYSTEMIE OBLICZANIA
BUDYNKÓW USZTYWNIONYCH ŚCIANAMI
System BW-7 przeznaczony jest do obliczania konstrukcji budynków
wysokich usztywnionych trzonami i ścianami. W pracy przedstawiono
opracowane ostatnio postprocesory, umoŜliwiające wizualizację
przemieszczeń poziomych konstrukcji oraz rozkładów sił tnących
w pionowych pasmach nadproŜy i złączach. Programy te w istotny sposób
ułatwiają sprawdzenie poprawności zaprojektowanej konstrukcji i jej
ewentualną modyfikację.
PRESENTATION OF RESULTS IN SYSTEM
FOR SHEAR WALL BUILDINGS ANALYSIS
The BW7V and BW7F postprocessors are included in the system BW-7 for
the shear wall structures analysis. On the base of the data generated by the
system, the postprocessor programs visualise the horizontal displacements
of the structure and functions of the shear force intensity in continuous
connections. They give essential facilities for verification of the structure
designing correctness and its modification.
1. WSTĘP
System programów BW-7 (Budynki Wysokie wersja 7) jest przeznaczony do analizy
ścianowych konstrukcji z nadproŜami, usztywniających budynki wysokie [3, 4, 5, 6].
Pierwotnie napisany dla maszyn cyfrowych serii Odra 1300 i ICL 1900, po przeniesieniu na
komputery klasy IBM PC wykorzystywany jest w dalszym ciągu w praktyce projektowej. Tak
długa eksploatacja programu wynika z wykorzystania odpowiedniej do zagadnienia metody
obliczeniowej i zwrócenia uwagi podczas projektowania i budowy systemu na to, by dane do
obliczeń i wyniki były zgodne z oczekiwaniami i przyzwyczajeniami projektantów.
W ostatnich latach system został wyposaŜony w preprocesory pozwalające na pozyskiwanie
danych opisujących konstrukcję z rysunków programu AutoCAD, ułatwiające przygotowanie
opisu obciąŜeń poziomych od wiatru zgodnie z wymaganiami normy, a takŜe umoŜliwiające
skrócony opis obciąŜeń pionowych. Przygotowano teŜ postprocesory wyprowadzające wyniki
obliczeń w postaci graficznej. KaŜdy z wdroŜonych pre- i postprocesorów przyczyniał się do
skrócenia cyklu projektowego.
Pierwszym postprocesorem systemu był program BW7S wizualizujący rozkład napręŜeń
w ścianach usztywniających budynku [7]. Zachęceni dobrym przyjęciem postprocesora
BW7S przez środowisko projektantów przygotowaliśmy dwa kolejne postprocesory.
Postprocesor BW7V na podstawie danych generowanych przez system wizualizuje w rzucie
konstrukcji usztywniającej przemieszczenia ścian lub przemieszczenia ekstremalne
wybranych punktów. Zadaniem postprocesora BW7F jest rysowanie dla danego układu
usztywniającego wykresów przemieszczeń poziomych oraz sił tnących w pionowych
pasmach nadproŜy i złączy.
Dla kaŜdego z postprocesorów przygotowano zarówno dokumentację techniczną jak
i podręcznik uŜytkownika.
2. ORGANIZACJA WSPÓŁPRACY PROGRAMÓW SYSTEMU
Wszystkie programy systemu BW-7, w tym takŜe postprocesory graficzne, napisane są w
języku Pascal [1, 2] . Dane wejściowe postprocesory czerpią wyłącznie z jednego pliku
o rozszerzeniu *.d-r (dane i wyniki, ang. Data-Result), generowanego przez programy
obliczeniowe systemu. 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 długości oraz dane opisujące napręŜenia, wykorzystywane przez
postprocesor BW7S, a takŜe: wartości rzędnych i wartości poszczególnych funkcji dla tych
rzędnych, wykorzystywane przez postprocesory BW7V i BW7F.
3. EKRAN POSTPROCESORA BW7V
Ekran postprocesora podzielony jest na kilka okien (rys. 1). Pierwsze dwa z nich, znajdujące
się w górnej części ekranu, zawierają opis analizowanego obiektu (konstrukcji) oraz numer
danych. PoniŜej znajduje się okno zawierające dane o minimalnym i maksymalnym
przemieszczeniu w całej konstrukcji usztywniającej, czyli: wartość przemieszczenia oraz
punkt, którego to przemieszczenie dotyczy. Są to dwie linie tekstu, kaŜda dla jednego
z ekstremalnych przemieszczeń. W prawej części ekranu znajduje się podłuŜne okno
zawierające: numer schematu / wariantu, wartość mnoŜnika, opis rodzaju przemieszczeń
(mogą to być ciągi: „Vx max”, „Vx min”, „Vy max”, „Vy min”), wyświetlane dla
przemieszczeń ekstremalnych, skalę przedstawiającą stosunek jednostek rzeczywistych do
ekranowych, wartość rzędnej oraz legendę opisująca znaczenie linii, jakimi rysowane są
poszczególne poziomy układu usztywniającego . Główną rolę odgrywa największe okno
zatytułowane „Plik”. Okno to, w nagłówku którego wypisana jest nazwa pliku danych
wejściowych, pokazuje rzut całej konstrukcji usztywniającej: konstrukcję nieodkształconą
(pogrubiona linia przerywana), odkształconą (pogrubiona linia ciągła) i poziomy pośrednie
(linia przerywana pojedynczej grubości). W prawym dolnym rogu ekranu znajduje się menu,
zapewniające wygodną interakcję z uŜytkownikiem.
4. MENU POSTPROCESORA BW7V
Menu postprocesora usytuowane jest w prawym dolnym naroŜniku ekranu i składa się
z następujących opcji: „plik”, „schem./war.”, „przemieszczenie”, „rzędna”, „poziomy”,
„mnoŜnik”, „osie układu”, „tło”. Aby wybrać którąś z nich naleŜy posłuŜyć się tzw.
„klawiszami kursora”: „w górę” [↑] i „w dół” [↓] lub klawiszem „tabulacji” TAB. Opcja
aktualnie wybrana podświetlona jest Ŝółtym kolorem. Znaczenie i sposób wykorzystania
wszystkich opcji programu opisane są poniŜej:
Rys. 1 Ekran postprocesora BW7V
•
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 moŜe
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”.
•
Opcja „schem./war.”
Tutaj za pomocą klawiszy kursora zmieniać moŜna schemat lub wariant. 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 naciśnięcie 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. W przypadku wariantów, wyświetlane są przemieszczenia
ekstremalne tylko dla wybranych punktów.
•
Opcja „przemieszczenie”
Ta opcja umoŜliwia zmianę rodzaju przemieszczeń ekstremalnych. Podobnie jak
w poprzednim przypadku dokonać tego moŜna tylko za pomocą klawiszy kursora. Przy
naciskaniu przycisku „w prawo” przemieszczenia zmieniać się będą w następującej
kolejności: „Vx max”, „Vx min”, „Vy max”, „Vy min”, natomiast przy naciskaniu
przycisku „w lewo” – w kolejności odwrotnej. Zmiana rodzaju przemieszczenia
spowoduje zmianę zawartości okna „Plik”.
•
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. Po wczytaniu nowych danych numer rzędnej równy jest
maksymalnej rzędnej w budynku. W oknie pod opisem konstrukcji wyświetlane są
informacje o ekstremalnych przemieszczeniach na tej rzędnej: wartość maksymalnego
i minimalnego przemieszczenia oraz numery punktów, w których te przemieszczenia
występują. W oknie pod skalą wyświetlana jest aktualna wartość rzędnej.
•
Opcja „poziomy”
UŜywając tej opcji moŜna zmieniać liczbę poziomów pośrednich rysowanych w oknie
„Plik” linią przerywaną pojedynczej grubości. Naciśnięcie klawisza „w prawo” powoduje
zwiększenie, a klawisza „w lewo” – zmniejszenie liczby wyświetlanych poziomów
pośrednich.
•
Opcja „mnoŜnik”
Tutaj zmienić moŜna wartość mnoŜnika, czyli liczby, przez którą przemnoŜone jest
przemieszczenie konstrukcji odkształconej rysowanej w oknie „Plik”. Po wczytaniu
nowych danych (opcja „plik”) mnoŜnik przyjmuje zawsze wartość 20. Zmiany tej
wartości moŜna dokonać za pomocą klawiszy kursora, zmniejszając lub zwiększając ją o
5 lub naciskając klawisz ENTER. Po naciśnięciu tego klawisza na ekranie pojawia się
okno dialogowe, korzystając z którego uŜytkownik moŜe wprowadzić z klawiatury nową
wartość mnoŜnika.
•
Opcja „osie układu”
Za pomocą tej opcji wyświetlić moŜna w oknie „Plik” osie układu współrzędnych.
Standardowo po uruchomieniu programu osie nie są rysowane. Naciśnięcie klawisza
ENTER powoduje wyświetlenie osi układu współrzędnych (rys. 1), a ponowne
naciśnięcie powoduje przerysowanie okna „Plik” bez osi.
•
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 ekranu
kolorowego na czarno-biały (i odwrotnie). Naciskając klawisz ENTER moŜna zmieniać
liczbę kolorów wyświetlanych na ekranie. Czarno-biały ekran postprocesora pokazuje
rys. 1.
Ponadto istnieją następujące opcje dostępne tylko z klawiatury:
•
Opcja „kolory” – klawisz F2
Opcja ta powoduje włączenie / wyłączenie barwnego podświetlania nagłówków okien. Na
przedstawiającym ekran postprocesora BW7F rys. 2 jest ono wyłączone. Jest to przydatne
podczas drukowania ekranu postprocesora.
•
Opcja „zmiana trybu graficznego” – klawisz F8
Naciśnięcie klawisza F8 powoduje zmianę rozdzielczości ekranu postprocesora. Dostępne
są następujące tryby: 640:480, 800:600, 1024:768. Standardowo program uruchamia się
w najwyŜszej rozdzielczości 1024:768.
•
Opcja „bitmap” – klawisz F9
UŜycie tej opcji spowoduje zapis ekranu postprocesora do pliku *.bmp. Program poprosi
o podanie nazwy tego pliku (domyślnym rozszerzeniem jest .bmp). Ta opcja dodana
została do programu, celem ułatwienia wydruku wykresów rysowanych przez program.
Mając rysunek w formacie BMP [8] moŜna wydrukować go dowolnym programem
graficznym lub wstawić do edytora tekstu.
5. EKRAN POSTPROCESORA BW7F
Ekran postprocesora BW7F, przedstawiony na rys. 2, zawiera w górnej części dwa okna
z opisem analizowanego obiektu i numerem danych, identyczne jak w postprocesorze BW7V.
W prawej części ekranu znajduje się podłuŜne "okno opisów wspólnych" zawierające: numer
schematu / wariantu, jednostki długości, kątów oraz funkcji intensywności sił w nadproŜach
i złączach n , a takŜe informacje o opcjach dostępnych tylko za pomocą klawiatury. Główną
rolę odgrywają "okna wykresów". Liczba tych okien jest zmienna (od 1 do 6) i moŜe być
ustalona przez uŜytkownika. KaŜde okno wykresów posiada nagłówek, w którym podany jest
numer okna, oraz składa się z dwóch części. Pierwsza z nich zawiera osie układu
współrzędnych i wykresy podanych funkcji, a druga – nazwy narysowanych w danym oknie
funkcji oraz wartości maksymalną i minimalną wraz z wartościami rzędnych na jakich one
występują, podane dla funkcji osiągającej wartość ekstremalną. W prawym dolnym rogu
ekranu znajduje się menu, zapewniające wygodną interakcję z uŜytkownikiem.
Po uruchomieniu postprocesora, na ekranie otwarte są trzy okna wykresów (patrz rys. 2).
Okno nr 1 zawiera wykresy funkcji przemieszczeń liniowych Vx, Vy, okno nr 2 – wykres
funkcji kątów obrotu Φ, a okno nr 3 – wykres funkcji n , która przyjmuje wartość
ekstremalną w całej konstrukcji. W przypadku braku funkcji n , w oknie nr 3 ukazuje się
napis: „Układ usztywniający nie zawiera nadproŜy i złączy podatnych”.
6. MENU POSTPROCESORA BW7F
Menu postprocesora usytuowane jest, podobnie ja postprocesorze BW7V, w prawym dolnym
naroŜniku ekranu i składa się z następujących opcji: „plik”, „schem./war.”, „liczba okien”,
„okno”, „funkcja”, „rysuj/dorysuj”, „tło”. Aby wybrać którąś z nich naleŜy posłuŜyć się tzw.
„klawiszami kursora”: „w górę” [↑] i „w dół” [↓] lub klawiszem „tabulacji” TAB. Opcja
aktualnie wybrana podświetlona jest Ŝółtym kolorem. Opcje: "plik", "schem/war", "tło",
"kolory", "zmiana trybu graficznego" i "bitmap" dają moŜliwości identyczne jak
w postprocesorze BW7V. Znaczenie i sposób wykorzystania pozostałych opcji programu są
następujące:
Rys. 2 Ekran postprocesora BW7F
•
Opcja „liczba okien”
Wybierając tę opcję uŜytkownik moŜe zmieniać liczbę okien wykresów w zakresie od 1
do 6. Zwiększając liczbę okien, zmniejsza się automatycznie ich szerokość, a co za tym
idzie, takŜe dokładność wykresów (rys. 3) . Aby narysować dowolny wykres w nowym
oknie, naleŜy zmienić je na okno aktywne (opcja „okno”), wybrać funkcję, której wykres
ma być rysowany (opcja „funkcja”) i następnie uŜyć opcji „rysuj / dorysuj”.
•
Opcja „okno”
Opcja ta umoŜliwia zmianę aktywnego okna, czyli okna w którym rysowane będą
wykresy funkcji za pomocą opcji „rysuj / dorysuj”. UŜytkownik moŜe, po uprzednim
naciśnięciu klawisza ENTER, podać numer okna które ma być aktywne. Program reaguje
odpowiednim komunikatem na błędnie wprowadzony numer (musi być on większy od 1
i mniejszy lub równy liczbie okien wykresów). Okno aktywne zmienić moŜna takŜe za
pomocą klawiszy kursora. Naciśnięcie klawisza „w prawo” [→] spowoduje zwiększenie
numeru okna aktywnego. JeŜeli na ekranie są na przykład trzy okna wykresów i oknem
aktywnym jest okno nr 1, to po naciśnięciu klawisza „w prawo”, nowym oknem
aktywnym będzie okno nr 2. Analogicznie, uŜycie klawisza „w lewo” [←], spowoduje
zmniejszenie numeru okna aktywnego. Nagłówek tego okna wyróŜniony jest innym
kolorem. Po uruchomieniu programu oknem aktywnym jest okno 1 (patrz rys. 2).
•
Opcja „funkcja”
UŜytkownik moŜe wybierać tu funkcję jaka ma zostać narysowana lub dorysowana (patrz
opcja „rysuj / dorysuj”) w oknie aktywnym. Dokonać tego moŜna za pomocą klawiszy
kursora. UŜycie klawisza „w prawo” powoduje zmianę funkcji w następującym porządku:
Vx, Vy, Fi, n1, n2, ... nnw (wartość nw jest liczbą pasm nadproŜy i złączy w budynku). Za
pomocą klawisza „w lewo” moŜemy zmieniać te funkcje w porządku odwrotnym.
•
Opcja „rysuj / dorysuj”
Po uruchomieniu programu aktywna jest opcja „rysuj”. Naciskając klawisz ENTER,
uŜytkownik moŜe narysować, w oknie aktywnym, wybraną funkcję (patrz opcja
„funkcja”). Spowoduje to „wykasowanie” aktualnej zawartości okna i narysowanie w nim
nowego wykresu. JeŜeli natomiast naciśniemy klawisz „w prawo”, nastąpi przełączenie
do trybu „dorysuj”. Po naciśnięciu klawisza ENTER, nastąpi wówczas dorysowanie
nowego wykresu funkcji do aktualnej zawartości okna. W ten sposób moŜna w jednym
oknie, na jednym układzie współrzędnych, rysować wykresy kilku funkcji. Naciśnięcie
klawisza „w lewo” spowoduje ponowne przejście do trybu „rysuj”.
Rys. 3 Ekran postprocesora BW7V ze zmienioną liczbą okien
•
Opcja „węzły” – klawisze SHIFT+W
Opcja ta powoduje włączenie / wyłączenie wyświetlania punktów węzłowych na
podstawie których interpolowana jest funkcja.
7. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA
Jako przykład wybrano jeden z analizowanych ostatnio obiektów, przeznaczony do realizacji
na terenie Poznania. Jest to 15-kondygnacyjny budynek wysokości 60.55 m o konstrukcji
monolitycznej. Układ usztywniający tworzy zespół ścian o grubości 25 cm wykonanych
z betonu B25, połączonych pasmami nadproŜy oraz stropami płytowymi. Obliczenia
wykonano dla 2 zestawów obciąŜeń poziomych i 5 zestawów obciąŜeń pionowych oraz
jednego wariantu ekstremum.
Na rys. 4 pokazano przemieszczenia poziome konstrukcji od parcia wiatru w kierunku Y,
otrzymane dla pierwotnej wersji układu usztywniającego. W tym przypadku wystąpiły zbyt
duŜe przemieszczenia na skutek skręcania względem górnego, lewego naroŜa układu
usztywniającego. Po analizie rysunku przemieszczeń układu usztywniającego,
wygenerowanego przez postprocesor BW7V, stwierdzono celowość dodania elementów
usztywniających połoŜonych w maksymalnej moŜliwej odległości od środka skręcania
ustroju. W związku z tym układ usztywniający uzupełniono ścianą zamykającą u dołu i
małym trzonem zawierającym klatkę schodową u góry, po lewej stronie budynku.
Rys. 4 Przemieszczenia poziome pierwotnej konstrukcji od parcia wiatru w kierunku Y
Rys. 5 Przemieszczenia poziome
od parcia wiatru w kierunku Y dla zmodyfikowanego układu
Rys. 6 Wykresy przemieszczeń poziomych oraz sił tnących w paśmie nadproŜy,
w którym siła jest ekstremalna, dla układu zmodyfikowanego
Rys. 5 przedstawia przemieszczenia poziome od parcia wiatru w kierunku Y (schemat nr 2)
dla zmodyfikowanego układu. Widać, Ŝe skręcanie układu zostało bardzo ograniczone.
Ekstremalne przemieszczenie dla nowego układu wynosiło 21.7 mm i nie przekraczało
wartości dopuszczalnej. Na rys. 6 przedstawiono otrzymane z postprocesora BW7F dla
schematu nr 2 wykresy przemieszczeń poziomych oraz sił tnących w paśmie nadproŜy,
w którym siła jest ekstremalna.
8. PODSUMOWANIE
Postprocesory BW7V i BW7F umoŜliwiają skrócenie pracochłonnej i uciąŜliwej analizy
wyników otrzymanych w wyniku działania systemu BW-7, przeznaczonego do analizy
wytrzymałościowej konstrukcji usztywniających w budynkach wielokondygnacyjnych.
Stwierdzono przydatność opisanych postprocesorów w sytuacji konieczności ciągłego
skracania cykli projektowych, wymuszonej konkurencją. W szczególności przydatny
w praktyce okazał się postprocesor BW7V, wizualizujący sposób przemieszczania się
budynku. Otrzymane z postprocesora rysunki wskazują projektantowi fragmenty konstrukcji
wymagające wzmocnienia, bądź teŜ miejsca poczynienia moŜliwych oszczędności bez szkody
dla bezpieczeństwa budynku.
Trwa dalsza rozbudowa systemu. Aktualnie prowadzone prace koncentrują się na
przygotowaniu uproszczonego zarządzaniu projektami z wykorzystaniem środowiska Delphi
firmy Imprise/Borland.
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. Wdowicka E., Wdowicki J.: Analiza statyczna przestrzennych układów ścianowych
z nadproŜami. Część V. Przykłady obliczeń, Metody komputerowe w InŜynierii Lądowej,
3, 2, (1993) 35-59.
5. 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.
6. Wdowicki
J.,
Wdowicka
E.:
System
obliczeń
ścianowych
budynków
wielokondygnacyjnych, w: II Wiosenna Szkoła "Komputerowe wspomaganie
projektowania, wytwarzania i eksploatacji", śegiestów, 11-15 maja 1998 r., WAT,
Warszawa 1998, tom "Wykłady i prezentacje", 47-54.
7. Wdowicki J., Tomaszewski A., Wdowicka E.: Postprocesor wspomagający ocenę
wytęŜenia ścian budynku, w: III Szkoła "Komputerowego wspomagania projektowania,
wytwarzania i eksploatacji, Szczyrk 10-14 maja 1999, Helion, Warszawa-Gliwice 1999,
135-142.
8. Wilton R.: Komputerowe karty graficzne, READ ME, Warszawa 1995.