STOCKHOLM SVERIGE 2019,
Samverkan mellan Revit och FEM-Design
Modellöverföring från Revit Structure 2016 till FEM-Design 3D Structure 15 för analys och jämförelse med handberäkning
ARI INAYAT
BAWAR SHARIF
KTH
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Samverkan mellan Revit och FEM-Design
Modellöverföring från Revit Structure 2016 till FEM-Design 3D Structure 15 för analys och jämförelse med handberäkning
Collaboration between Revit and FEM-Design
Model transfer from Revit Structure 2016 to FEM-Design 3D Structure 15 for analyzing and comparing with the hand calculation
Examensarbete: 30 högskolepoäng inom Husbyggnads -och Anläggningsteknik Författare: Ari Inayat, Bawar Sharif
Uppdragsgivare: COWI AB
Handledare: Konstantinos Mavridis, COWI AB Bert Norlin, KTH ABE
Examinator: Bert Norlin, KTH ABE Godkännandedatum: 2016-xx-xx
Serienr:
I
II
Sammanfattning
Implementering av BIM (Building Information Modeling) har blivit allt mer aktuellt I byggbranschen då denna arbetsmetod bidrar till bättre samordning och kommunikation mellan aktörerna i ett projekt. För att erhålla en korrekt beräkningsbarmodell som kan överföras till ett beräkningsprogram för analys och dimensionering så är det viktigt att justeringar görs i produktionsmodells analytiska struktur. Ett sådant arbetssätt är effektivt eftersom det ger tidsbesparingar.
Tanken med detta examensarbete har varit att göra en kompatibilitetskontroll mellan programvarorna Revit Structure 2016 och FEM-Design 3D Structure 15. Huvudsyftet med detta arbete har varit att tillämpa en och samma modell för visualisering och analysering men även göra en bedömning om det är effektivt att utnyttja ett sådant arbetssätt i dagens arbete. En modell som utgör både en grafisk- och en analytisk struktur är en så kallad multifunktionell modell. En sådan modell medverkar till ett effektivare modellerings- och beräkningsprocess utan att dubbla modelleringsarbeten behöver vidtas.
För att studera informationsutbyten mellan programmen Revit Structure och FEM-Design 3D Structure skapades ett antal enkla testmodeller i Revit Structure som sedan exporterades till FEM-Design 3D Structure. Slutligen skapades en modell i Revit Structure för ett aktuellt projekt som har behandlats i denna studie. Modellens analytiska struktur justerades därefter för att erhålla en beräkningsbar modell för exportering till FEM-Design 3D Structure. I FEM- Design 3D Structure bearbetades analysmodellen och nödvändiga justeringar har gjorts på grund av brister i modellen. När modellen analyserats i FEM-Design 3D Structure med avseende på lastnedräkning jämfördes resultaten därefter med handberäkning. Samtliga beräkningar i denna studie har utförts enligt svenska standarder i Eurokod.
III
IV
Abstract
Implementation of BIM (Building Information Modeling) has become increasingly relevant in the construction industry since this working method contributes to better coordination and communication between participants in a project. To obtain a correct analysis model that can be transferred to a calculation program for analysis and design, it is important that the adjustments made in analytical structure. Such approach is effective because it saves time.
The idea behind this study is to make a compatibility control between software Revit
Structure 2016 and FEM-Design 3D Structure 15. The main purpose of this work was to apply the same model for both visualization and analysis, but also to assess whether it is efficient to use such an approach in today's work. A model that comprises both a graphic and
analytical structure is a so-called multifunctional model. Such a model contributes to a more efficient modelling and calculation process without double modeling jobs need to be taken.
To study the exchange of information between the programs Revit Structure and FEM- Design 3D Structure, a number of simple test models were created in Revit Structure, which is then exported to the FEM-Design 3D Structure. Finally, a model was created in Revit Structure, for a current project that has been treated in this study. The model's analytical structure was adjusted to obtain a calculation bosom model for exporting to the FEM-Design 3D Structure. In the FEM-Design 3D Structure, the analysis model was processed and
necessary adjustments have been made because of deficiencies in the model. After that the model is analyzed in FEM-Design 3D Structure with respect to reaction forces, the results has been compared with the manual calculation. All calculations in this study have been carried out according to Swedish standards in Eurocode.
V
VI
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 hp och har utförts vårterminen 2016 vid Kungliga Tekniska Högskolan, mastersprogrammet Husbyggnads- och Anläggningsteknik 120 hp.
Examensarbetet har genomförts i samarbete med konsult företaget COWI AB där uppdragsgivaren var Konstantinos Mavridis.
Ämnesområden som har behandlats under denna studieperiod ligger inom kategorin konstruktionsteknik och byggnadsinformationsmodellering (BIM).
Vi vill härmed rikta ett stort tack till vår handledare Konstantinos Mavridis för hans
handledning och synpunkter samt att han har bidragit med viktigt material under arbetets gång.
Vår examinator och handledare Bert Norlin vid Kungliga tekniska högskolan skall även ha ett stort tack för hans vägledning och support.
Ett stort tack riktas även till Mats Olsson avdelningschef för Byggnad & Fastighet på COWI i Stockholm/Öst, Thomas Karlsson avdelnings chef för konstruktionsteknik, Ari Aziz, Diana Paulus och Aslan Edalat för deras engagemang samt att de har bidragit med betydande information.
Stort tack till Zanyar Kadir på AEC, dotterbolag till COWI, som har bidragit med support gällande Revit och Autodesk produkter.
Vi vill tacka företaget COWI för att vi fick använda deras kontor, utrustning samt
programlicenser. Vi vill även tacka de andra personalerna som vi har kommit i kontakt med för deras positiva bemötande.
Sven Maschorov VD på företaget TMB, BYGG ELEMENT SVERIGE AB, vill vi också tacka eftersom han har bidragit med material och guidat oss på byggarbetsplatsen.
VII
VIII
Nomenklatur
BIM Building Information Modeling
2D 2-dimensionell
3D 3-dimensionell
4D 3D integrerad med tidsplan
5D 3D integrerad med tidsplan och kostnader
Produktionsmodell Informationsmodell avsedd för produktionshandlingar
Analysmodell Beräkningsmodell avsedd för analys av ett konstruktionsverks bärande delar Auto-Detect Default inställning av analytiska linjer för olika element i Revit Structure Projection manuell anpassning av analytiska linjer för olika element i Revit Structure
Add-in Tilläggsprogram
CAD Computer Aided Design
DWG Standardfilformatet för CAD-modeller i Auto CAD AEC Architectural Engineering Construction
FEM Finite Element Method, Finita elementmetoden, en numerisk beräkningsmetod för att lösa partiella differentialekvationer
FEM-Design (FD) FEM-Design 3D Structure, programvara utvecklat av StruSoft
StruXML Filformat för informationsutbyte mellan olika programvaror tillverkad av StruSoft
Mesh Elementnät för finita element analyser
Eurocode Europagemensamma regelverk och normer verkställda för konstruktionsändamål
Nationalt annex Eurokods nationell anpassning för olika länder inom Europa EK0 (Eurokod 0) SS-EN 1990: Grundläggande dimensioneringsregler
EK1 (Eurokod 1) SS-EN 1991: Laster på bärverk
EK2 (Eurokod 2) SS-EN 1992:Dimensionering av betongkonstruktioner EK3 (Eurokod 3) SS-EN 1993:Dimensionering av stålkonstruktioner
PL Punkt Last (Point Load)
LL Linje Last (Line Load)
IX
X
Innehåll
Sammanfattning ... II Abstract ... IV Förord ... VI Nomenklatur ... VIII
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Mål och syfte ... 2
1.3 Avgränsningar ... 3
1.4 Lösningsmetoder ... 4
2 Teoretisk bakgrund ... 5
2.1 BIM ... 5
2.2 Autodesk Revit 2016 ... 6
2.2.1 Autodesk Revit MEP ... 6
2.2.2 Autodesk Revit Architecture ... 6
2.2.3 Autodesk Revit Structure... 6
2.3 FEM-Design 3D Structure 15 ... 7
2.4 Handberäkning ... 7
2.4.1 Eurokod ... 7
2.4.2 Lastnedräkning ... 9
3 Tillämpning av Revit Structure och FEM-Design 3D Structure ... 10
3.1 Analytisk presentation i Revit Structure [10] ... 10
3.1.1 Materialinställningar (Properties) ... 10
3.1.2 Utsträckning av enskilda element och dess analyslinje ... 13
3.2 Överföring från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure [10] ... 15
3.2.1 Tilläggsprogrammet ”Add-In” i Revit Structure ... 15
3.2.2 Koppling och modellexportering ... 16
3.3 Analys och beräkning i FEM-Design ... 20
3.3.1 Tillämpning av olika verktyg i FEM-Design ... 20
4 Genomförande ... 22
4.1 Förberedelse av produktionsmodell i Revit Structure ... 22
4.2 Förberedelse av den analytiska modellen i Revit Structure ... 24
4.3 Justering och analysering i FEM-Design 3D Structure ... 26
XI
4.3.1 Struktur (Structure) ... 27
4.3.2 Definiering av laster (Loads) ... 32
4.3.3 Finita element (Finite elements) ... 34
4.3.4 Analys (Analysis) ... 34
5 Analys ... 35
5.1 Test analys i FEM-Design 3D Structure ... 35
5.1.1 Test analys för plan 2 ... 36
5.2 Lastnedräkning för hand ... 38
5.2.1 Permanenta laster ... 38
5.2.2 Variabla laster ... 38
5.2.3 Indata och sektionsritningar ... 42
5.2.4 Lastfördelning på våningsplanen ... 44
5.2.5 Lastkombination för våningsplanen ... 46
5.3 Jämförelse mellan analys i FEM- Design och handberäkning ... 47
5.3.1 Plan 1 ... 47
5.3.2 Plan 2 ... 48
5.3.3 Plan 3 ... 48
5.3.4 Plan 9-tak ... 49
5.3.5 Plan 2-tak ... 49
6 Resultat ... 51
6.1 Handberäkning ... 51
6.2 FEM-Design 3D Structure ... 53
7 Slutsats och diskussion ... 57
8 Källförteckning ... 59
8.1 Tryckta källor ... 59
8.2 Elektroniska källor ... 59
8.3 Muntliga källor ... 60
9 Bilagor ... 61
9.1 Handberäkningar ... 61
9.1.1 Linjelaster ... 61
9.1.2 Punktlaster... 69
9.2 Analys i FEM-Design 3D Structure ... 72
9.2.1 Linjelaster ... 72
XII 9.2.2 Punktlaster... 77 9.3 Lastfördelning ... 78 9.4 Produktions skede ... 79
1
1.1 Bakgrund
Det pågår ständigt utveckling för effektivisering av arbetsmetoder inom byggsektorn. Digital tekniken har blivit ett genomslag i byggbranschen eftersom detta arbetssätt skapar en bättre helhetssyn och förståelse av olika byggprojekt. Den digitala arbetsmetoden bidrar även till noggrannare analyser av olika projekt.
Efterfrågan av BIM tekniken har blivit allt större hos många byggföretag eftersom förståelsen för denna teknik har ökat betydligt. BIM står för Building Information Modeling och är en digital teknik där en databasmodell hanterar information av ett byggnadsverk med hjälp av 3D-objekt. I databasmodellen skapas samt lagras information för olika objekt i modellen. Vid BIM relaterade projekt kan fler parter vara delaktiga i processen som hela tiden genererar ändringar och uppdateringar i projektet. På så vis kommer inte någon av disciplinerna att ligga efter.
Den traditionella arbetsmetoden tillämpas än idag av många konstruktörer. Detta innebär att handberäkningar samt tabeller används vid dimensionering av bärande
konstruktionsdelar men även vid beräkning av olika konstruktionsproblem. Utöver
handberäkningar används även olika analysprogram, exempelvis Robot, Abaqus, Tekla, FEM- Design 3D Structure mm. Dessa beräkningsprogram är effektiva vid avancerade
konstruktionsberäkningar. För att kontrollera att rimliga värden har erhållits från analysprogrammen så jämförs de med beräkningar uträttade för hand. För enkla konstruktionsberäkningar är det däremot lämpligare att använda handberäkningar.
2
1.2 Mål och syfte
Syftet med detta examensarbete har varit att ta fram ett effektivt arbetssätt mellan BIM- verktygen Autodesk Revit Structure 2016 och FEM-design 3D Structure 15. Detta har undersökts genom att en och samma modell tillämpats för visualisering och
beräkningsändamål. Tanken har också varit att titta närmare på de åtgärder som bör vidtas för att undvika beräkningsfel som uppstår på grund av redigeringar i analysmodellen samt av informationsförluster som uppkommer vid modellöverföring från Revit Structure till FEM- Design 3D Structure.
En annan fallstudie med detta arbete har varit att studera hur effektiv samverkan mellan dessa programvaror är samt göra en bedömning om detta är ett effektivt arbetssätt tidsmässigt och ekonomiskt. I dagsläget skapas en produktionsmodell och en analysmodell separat i olika programvaror på grund av osäkerheten i överföringsprocessen. Vid
överföringsprocessen mellan olika program är det viktigt att veta hur informationsutbyten tolkas och hanteras mellan programmen. Samtliga modeller innehåller information gällande de ingående beståndsdelarna, dessa informationer hanteras olika beroende på vilken programvara som tillämpas.
3
1.3 Avgränsningar
Detta examensarbete omfattar granskning av modellöverföring från Revit Structure 2016 till FEM-Design 3D Structure 15.
Fallstudien har varit att betrakta ett studentbostadshus som byggs vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Stockholm.
Lastnedräkning för detta bostadshus har utförts för hand samt i FEM-Design 3D Structure. En jämförelse mellan dessa beräkningsmetoder har gjorts i efterhand för att studera eventuella avvikelser men också för att kontrollera om den erhållna resultanten i FEM-Design 3D Structure är rimligt. Genom att jämföra resultaten med varandra har det på så vis varit möjligt att bedöma om analysmodellen utförts rätt.
4
1.4 Lösningsmetoder
För att motverka informationsförluster i samband med modellexportering från Revit
Structure 2016 till FEM-Design 3D Structure 15 tillämpas Strusofts eget manualverktyg "Revit To FEM-Design". Vid modellöverföring från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure tolkas och behandlas analysmodeller annorlunda i FEM-Design 3D Structure, därför skapades ett antal test modeller som studerats. Analyser har utövats därefter på dessa modeller för att granska och upptäcka eventuella brister som uppkommer i samband med
modellexporteringen. Under arbetets gång har hjälp erhållits från olika personer på företaget COWI och AEC som är kunniga inom konstruktionsteknik samt programvarorna Revit Structure och FEM-Design 3D Structure.
Samtliga handberäkningar har utförts enligt svenska standarder i Eurokod och är behandlade i Microsoft Excell för att beräkningsprocessen skall göras smidigare. Tidigare utförd
lastnedräkning i Robot Structural Analysis har även tillämpats som hjälpmedel för det aktuella studentbostadshuset. Vid framställning av produktionsmodellen tillämpades även DWG-filer som underlag för att påskynda modelleringsprocessen.
Teknikkonsultföretaget COWI AB i Stockholm har varit uppdragsgivare för denna studie och bistått med programvaror samt licenser för att detta examensarbete skall kunna
genomföras.
5
2 Teoretisk bakgrund
2.1 BIM
BIM står för byggnadsinformationsmodellering och är en arbetsmetod baserad på att virtuella 3D-modeller används för illustration av olika konstruktionsverk. Varje komponent i 3D-modellen betraktas som ett objekt med tillhörande information/egenskaper. All
information i modellen lagras i en databas som uppdateras då ändringar görs i modellen. Då en och samma 3D-modell hanteras mellan olika programvaror kan utbyte av information variera beroende på kompatibiliteten dessa emellan.
Olika arbetsuppgifter kan utföras med en 3D-modell såsom ritningsframställning, tidsplanering, handlingar, beräkningar, förteckningar, presentationsmaterial osv.
BIM teknologin har uppmärksammats allt mer inom byggbranschen då tillämpning av denna teknik har visat sig vara ett effektivt arbetssätt. Tanken med BIM är att en
informationsmodell finns tillgänglig för samtliga aktörer i ett projekt. Flera parter kan vara delaktiga i byggprocessen som hela tiden genererar ändringar och uppdateringar i projektet.
På så vis kommer inte någon av disciplinerna att ligga efter. Denna arbetsmetod medverkar till bättre kommunikation och samordning mellan parterna vid olika skeden i ett projekt, d.v.s. från planeringsskeden till produktion, förvaltning, ombyggnad och rivning.
Slutresultaten blir en produkt av högre kvalitet till lägre kostnader.
Förutom 3D-modellering finns även 4D-och 5D-modellering. I 4D modellering utförs tidsplanering för 3D-modeller och är på så vis ett effektivt arbetssätt för granskning av byggprocessens olika skeden enhetlig med tidplanen. 4D-modellering möjliggör upptäckt av eventuella tidskollisioner mellan olika discipliner under produktionsskeden.
Med 5D- modeller hanteras däremot mängdavtagning och kostnadsestimering. 5D-modellen kopplar både kostnadskalkyl och tidsplanering med 3D-modellen. 5D underlättar
bedömning av tidsåtgång samt kostnadsestimering för ett konstruktionsverk.[1]
6
2.2 Autodesk Revit 2016
Autodesk Revit omfattar tre gränssnitt med specifika verktyg och funktioner som är lämpade för olika discipliner inom byggsektorn. De tre gränssnitten är Autodesk Revit Architecture, Autodesk Revit Structure samt Autodesk Revit MEP. Via en intern samordningsfunktion inom Autodesk Revit är det möjligt för de olika gränssnitten att samverka med varandra.
2.2.1 Autodesk Revit MEP
Revit MEP "Mechanical, Electrical and Plumbing" är anpassad för Mekanik, El, och VVS- sektorn. I Revit MEP kan design och analyser utföras för de olika disciplinerna med hänsyn till optimering av byggsystem samt till bättre designbeslut.
2.2.2 Autodesk Revit Architecture
Revit Architecture är tillämpad för arkitekter och byggnadsdesigner. Detta BIM-verktyg har specifika funktioner som är lämpade just för de målgrupper som arbetar med design.
2.2.3 Autodesk Revit Structure
Revit Structure är tillämpad för modellering av bärande konstruktionsdelar. Detta BIM- verktyg har bättre koordinering/samordning jämfört med de övriga gränssnitten i Autodesk Revit. I Revit Structure finns ett bibliotek där olika komponenter är lagrade. Vid modellering av ett konstruktionsverk kan de befintliga komponenterna tillämpas, exempelvis väggar, tak, bjälklag, pelare, balkssystem, grundsystem osv. Det är också möjligt att skapa egna
komponenter för modellen då en viss elementtyp inte förekommer i biblioteket. Modeller skapade i Revit Structure har en grafisk struktur (produktionsmodell) och en analytisk struktur som tillämpas för beräknings ändamål. Produktionsmodeller används som underlag för produktionshandlingar, exempelvis byggbeskrivningar, konstruktionsdetaljer,
stomritningar, armeringsritningar osv. Den analytiska strukturen utgörs av analyslinjer och ändnoder som förbinder olika komponenter med varandra. [7]
7
2.3 FEM-Design 3D Structure 15
FEM-Design 3D Structure är ett verktyg utvecklad av företaget Strusoft. I FEM-Design 3D Structure kan analyser utföras för avancerade konstruktioner bestående av olika material, så som stål, betong och trä. Analyserna är baserade på finita elementmetoden (FEM) och är en numerisk metod som approximativt löser partiella differentialekvationer och
integralekvationer för ett valt objekt. När ett byggnadsverk skall analyseras uppdelas varje komponent i konstruktionen i mindre delområden, så kallad finita element som har ett mesh mönster. Delområdena kan vara endimensionella (linjära), tvådimensionella eller
tredimensionella. I programmet FEM-Design kan även dimensionering av konstruktionen uträttas. [8]
2.4 Handberäkning
2.4.1 Eurokod
Eurokoder är en allmän benämning av europiska standarder (EN-Standarder) och innehåller beräkningsmetoder grundade på normer (standarder) verkställda för bärande
konstruktioner inom bygg och anläggning. Normerna beaktas vid beräkning av en konstruktions beständighet, bärförmåga och stadga. Totalt finns det 10 Eurokoder som tillsammans utgör ett Eurokod system. Eurokoderna är underkategoriserade och till varje kategori tillkommer en specifik standard. De underkategoriserade områdena utgör
tillsammans 60 standarder i Eurokod systemet. Standarderna är sammanställda i ett antal bilagor för vilket nationellt valda parametrar redovisas för varje enskilt land inom Europa.
Eurokoderna har olika benämning beroende på vilket land det är avsedd för. Exempelvis den Svenska Eurokoden benämns som SS-EN (Svensk Standard- European Standard).[2]
8 SS-
EN Eurokod Del Titel (i vissa fall förkortad)
1990
Eurokod: Grundläggande
dimensioneringsregler
-1-1 Tunghet, egentyngd, nyttig last för byggnader
-1-2 Termisk och mekanisk verkan av brand
-1-3 Snölast
-1-4 Vindlast
1991 Eurokod 1: Laster på bärverk -1-5 Temperaturpåverkan
-1-6 Laster under byggskedet
-1-7 Allmänna laster – Olyckslast
-2 Trafiklast på broar
-3 Last av kranar och maskiner
-4 Silor och behållare
-1-1 Allmänna regler och regler för byggnader
1992
Eurokod 2:
Betongkonstruktioner -1-2
Brandteknisk dimensionering
-2 Broar
-3 Behållare och avskiljande konstruktioner
-1-1 Allmänna regler och regler för byggnader
-1-2 Brandteknisk dimensionering
-1-3 Kallformade profiler och profilerad plåt
-1-4 Rostfritt stål
-1-5 Plåtbalkar
-1-6 Skal
-1-7 Plana plåtkonstruktioner med transversallast
-1-8 Dimensionering av knutpunkter och förband
-1-9 Utmattning
1993 Eurokod 3: Stålkonstruktioner -1- 10
Seghet och egenskaper i tjockleksriktningen
-1- 11
Dragbelastade komponenter
-1- 12
Tilläggsregler för stålsorter upp till S700
-2 Broar
-3-1 Torn och master
-3-2 Skorstenar
-4-1 Silor
-4-2 Cisterner
-4-3 Rörledningar
-5 Pålar och spånt
-6 Kranbanor
Eurokod 4: -1-1 Allmänna regler och regler för byggnader 1994 Samverkankonstruktioner -1-2 Brandteknisk dimensionering
stål – betong -2 Broar
-1-1 Gemensamma regler och regler för byggnader
1995 Eurokod 5: Träkonstruktioner -1-2 Brandteknisk dimensionering
-2 Broar
-1-1 Allmänna regler och regler för byggnader
1996 Eurokod 6: -1-2 Brandteknisk dimensionering
9
Tabell 1: Eurokodsystemet, de avsnitt som beaktats i denna studie har markerats med röd text i tabellen.
Murverkskonstruktioner -2
Dimensioneringsförutsättningar, material, utförande
-3 Förenklade metoder för oarmerat murverk
-1-1 Allmänna regler
1997 Eurokod 7: Geokonstruktioner -2 Dimensionering med stöd av provning
-1 Allmänt, seismisk påverkan, regler för byggnader
-2 Broar
1998 Eurokod 8:
-3 Tillståndsbedömning och förbättring av skadade byggande
Dimensionering m.a.p.
jordbävning -4
Silor, behållare och rörledningar
-5
Grund- och stödkonstruktioner, geotekniska aspekter
-6 Torn, master och skorstenar
-1-1 Allmänna regler och regler för byggnader
-1-2 Brandteknisk dimensionering
1998
Eurokod 9:
Aluminiumkonstruktioner -1-3
Utmattning
-1-4 Kallformad och profilerad plåt
-1-5 Skal
2.4.2 Lastnedräkning
Syftet med lastnedräkning är att kunna bedöma dimensioner för bärande delar av en
konstruktion. De bärande delarna har som uppgift att bära och leda laster till grunden av ett Konstruktionsverk. Vertikala laster som belastar de bärande delarna i de översta
våningsplanen är förorsakade av takkonstruktionens egentyngd, vindsbjälklagets egentyngd och snölast på taket. I de övriga våningsplanen uppkommer laster i form av egentyngd av varje konstruktionsdel samt nyttig last (inredning, personer osv). Vid dimensionering av bärverksdelar där handberäkningar tillämpats anses precisionen vara tillräckligt. För att uppnå högre grad av precision kan olika beräkningsprogram tillämpas baserade på finta elementmetoden. Trots att man får utförligare analyser med analysprogram och högre grad av precision kan uppnås bör resultaten kontrolleras och jämföras med handberäkningar.
Detta ger fördelen att upptäcka felaktigheter i resultaten som är förorsakade av inställningsfel i analysprogrammen. Därmed bör den mänskliga analysförmågan inte uteslutas helt.
10
3 Tillämpning av Revit Structure och FEM-Design 3D Structure
3.1 Analytisk presentation i Revit Structure [10]
Vid modellering i Revit Structure bör modellen som skall analyseras utföras korrekt för att den skall vara beräkningsbar. I en beräkningsbar modell är det viktigt att de bärande delarna exempelvis balkar, bjälklag och väggar vidtar korrekt utsträckning i analysmodellen och att de är korrekt anslutna med varandra. Fördelen med analysmodeller är att de underlättar granskning och revidering av bärande delar med avseende på läge, placering och bindningen dess emellan.
Varje enskilt element i Revit Structure har en analytisk representant som begränsar samt framhäver de i analysmodellen. De analytiska representanterna uppvisas antingen som en omsluten linje kring elementet (t.ex. plattor, väggar) eller uppkommer som en linje i
elementet (t.ex. balkar, pelare). De analytiska linjerna har ett standardläge som varierar för olika elementtyper, figur(1). [10]
Figur 1: Analytiska representanter vid standardläge för väggelement, pelare, balk och platta
3.1.1 Materialinställningar (Properties)
Analysmodeller kan korrigeras med hjälp av olika verktyg som finns i programmet Revit Structure. För varje enskild element/objekt tillkommer det inställningar i verktygsfälten
"Properties". Dessa inställningar kan ändras med avseende på elementens strukturella eller analytiska egenskaper.
11 3.1.1.1 Inställningen Auto-Detect
Vid modellering i Revit Structure är samtliga element/objekt i modellen inställda på standardinställningen "Auto-Detect". Denna inställning finns under menyn "Analytical Alignment" i verktygsfältet Properties och kan ändras fritt. Då ett element är inställt på
”Auto-Detect” innebär det att elementens analyslinje/projektionsplan är placerad i standardläge i förhållande till elementet, figur(1).
Standardinställningen ”Auto-Detect” har även som funktion att automatisk ansluta olika elements analyslinjer/ändnoder med varandra inom ett begränsad intervall.
Anslutningsintervallen kan fritt begränsas till ett önskat avstånd.
En strukturell modell kan vara korrekt utförd med avseende på de ingående elementens läge i förhållande till varandra. Däremot vid granskning av analysmodellen kan det upptäckas att vissa element inte är anslutna med varandra eftersom dess analyslinjer/ändnoder är
placerad i olika lägen. Då denna analysmodell skall tillämpas i ett beräkningsprogram kommer den därmed att tolkas och behandlas felaktig i programmet.
I figur (2) har det redovisats hur den analytiska linjen för ett bjälklagselement förhåller sig till två väggar och dess analyslinjer. Elementen är inställda på standardinställningen ”Auto- Detect” och väggens överkantsnoder har automatisk kopplats till bjälklagens analyslinje som ligger i dess överkant.
Figur 2: Standardinställningar i menyn ”Analytical Alignment” för väggelement och platta
12 Modellen som uppvisas i figur (2) har redigerats genom att inställningen ”Top Extension Method” för väggarna ställts in på ”Projektion” istället för ”Auto-Detect”. Detta har gjorts för att ange att överkantsnoderna för väggarna ligger på dess topp, se figur (3).
Figur 3: Justering av inställningar i menyn ” Analytical Alignment” för väggelement
Ett annat alternativ är att ändra läge på bjälklagens projektionsplan så att den hamnar på botten av elementet. Detta görs genom att inställningen "Alignment Method" ändras från
"Auto-Detect" till "Projection", därefter ställs bjälklagens ”z Projektion” till ”Botten of Element”, se figur(4).
Figur 4: Justering av inställningar i menyn ” Analytical Alignment” för bjälklagselement
13 En analysmodell kan återställas till sitt ursprungsläge på olika sätt, bland annat genom att objektens analyslinjer ställs in på ”Auto-Detect” under menyn "Analytical Alignment" eller att inställningen ”Analytical Reset” som finns i verktyget ”Analyze” tillämpas, se figur(5).
Figur 5: Verktyget ”Analytical Reset” för återställning av analyslinjer till standardläge
3.1.2 Utsträckning av enskilda element och dess analyslinje
Då justeringar görs i en modells strukturella egenskaper kan det i vissa fall påverka de analytiska egenskaperna. I verktygsfältet ”Properties” finns inställningen ”Geometric Position” som kan användas vid korrigering av ett objekts geometriska utsträckning.
Figur 6: Justering av geometrisk utsträckning i menyn ”Geometric Position”
Då ett element markeras uppkommer det i varje ände av elementet en blå prick/nod och två små pilar. De blå noderna är så kallade ”Drag Structural Framing Component End”. Vid utsträckning av dessa noder ändras längden av skalelementet parallellt med dess analyslinje, figur (7).
14
Figur 7: Manuellt utsträckning av elementen med de blå noderna
Med de blå pilarna korrigeras däremot endast skalelementets utsträckning. Pilarna har ingen inverkan på analyslinjens utsträckning i elementet. Längden av skalelementet kan även korrigeras i inställningarna ”Start/End Join Cutback” under menyn ”Geometric Position”.
Figur 8: Manuellt utsträckning av skalelement med de blå pilarna
För justering av analyslinjer finns även verktyget ”Analytical Adjust”. Med hjälp av detta verktyg kan analyslinjer förflyttas manuellt till det läge som önskas. Analyslinjer/noder modifieras i skalelementet genom att den analyslinje som skall förflyttas/utsträckas markeras. Därefter hålls ändnoden av analyslinjen ned med den vänstra musknappen och samtidigt förflyttas noden till det läge som är önskad.
Figur 9: Manuellt jusetering av analyslinjer med verktyget ”Analytical Adjust”
15
3.2 Överföring från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure [10]
En modell i Revit Structure kan betraktas som en produktionsmodell och en analysmodell.
Den analytiska modellen är en förenklad trådmodell bestående av analyslinjer vars funktion är att representera bärande delar i en konstruktion.
Eftersom produktionsmodeller används vid framställning av produktionshandlingar är det viktigt att ändringar inte görs i dessa modeller, annars kan det uppstå brister i dess
handlingar. När en Revit modell skall tillämpas för beräkningsändamål bör därför endast den analytiska modellen justeras utan inverkan på 3D-modellens Strukturella egenskaper
(produktionsmodellen).
Vid modellexportering från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure överförs objektens material- och tvärsnittsinformation. Baserad på Revit modellens informationsinnehåll kommer den exporterade analysmodellen att tolkas och behandlas i FEM-Design 3D Structure samt uppvisas som en trådmodell bestående av analyslinjer. Det är endast de bärande delarna av konstruktionen som framhålls i modellen.
3.2.1 Tilläggsprogrammet ”Add-In” i Revit Structure
Vid modellöverföring från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure är det viktigt att tilläggsprogrammet ”Add-In” är installerad i Revit Structure för att överföringsprocessen skall vara genomförbar mellan programmen. ”Add-In” finns under fliken ”Analyze” i Revit Structure och är framtagen av företaget Strusoft.
Figur 10: Tilläggsprogram "Add-In" för Export/ Import mellan programmen Revit Structure och FEM-Design 3D Structure
När en modell exporteras från Revit Structure till FEM- Design 3D Structure har modellen filformatet StruXML vars funktion är att sammanlänka dessa program med varandra. Vid ändringar av analysmodellen i Revit Structure kan modellen i FEM-Design 3D Structure uppdateras utan att behöva exportera modellen på nytt. Tilläggsprogrammet ”Add-In” tolkar och behandlar de inkluderade material- och tvärsnittsinformationen i Revit modellen vid exportering till FEM-Design 3D Structure. Vid modellexportering från Revit Structure till FEM- Design 3D Structure överförs endast de delar av analysmodellen som är aktiverade i Revit Structure.
16 3.2.2 Koppling och modellexportering
Då en modell skall exporteras från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure är det viktigt att ett nationellt annex anges i fältet ”Code”. I fältet ”Code” finns det ett antal Eurokoder som gäller för olika länder inom Europa. Om ingen specifik nationellt Eurokod väljs i fältet kommer programmet att automatisk ställas in på standardinställningen ”Code independent”.
Denna kod-inställning är oberoende av de nationella Eurokoder som finns tillgängliga i fältet
”Code” utan följer allmänna normer i Eurokodsystemet. Exempel i denna studie har Eurocode (NA: Swedish) valts, figur (11).
Figur 11: Fältet ”Code” för val av nationellt annex
I fönsterrutan "StruXml Export” finns ett antal flikar. Under fliken ”Export” finns det ett antal alternativ för delar av informationsmodellen som kan inkluderas/exkluderas vid
modellöverföring från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure. Exempelvis laster, grundplattor, referenslinjer, nivåer och excentricitet. Ett annat alternativ är att exportera endast markerade delar av Revit modellen.
Under fliken "Export" kan även aktuella varningar uppkomma för de objekt som inte är definierad med avseende på dess materialtyp och tvärsnitt i den analytiska modellen i Revit Structure. Varningarna bör åtgärdas för att en fullständig modell eller delar av modellen skall kunna överföras till FEM-design 3D Structure.
Figur 12: Odefinierad o i Revit modellen
17 Under fliken "Materials" och "Sections" uppkommer det två dialogrutor. Den vänstra
dialogrutan är Revit bibliotek och den högra dialogrutan är FEM-Designs bibliotek. I Revit bibliotek uppvisas automatisk alla material- och tvärsnittstyper som finns i modellen.
Rödmarkerad text i detta bibliotek innebär att objekten är odefinierad. För att en modell i Revit Structure skall tolkas och behandlas korrekt i FEM-Design 3D Structure är det viktigt att samtliga objekt i modellen är definierad och sammankopplad med dess motsvarigheter i FEM-Designs bibliotek med avseende på materialtyp och tvärsnitt.
Figur 13: Odefinierade materialtyper i Revit bibliotek markerad med röd text
Figur 14: Odefinierat materialtyp i Revit bibliotek skall sammankopplas med dess motsvarighet i FEM-Designs bibliotek
Definiering av materialtyp och sektion görs manuellt mellan Revit Structure och FEM-Design 3D Structure. Exempelvis när materialtypen betong C30/37 sammankopplas med dess
18 motsvarighet i FEM-designs bibliotek skiftar den rödmarkerade texten för denna materialtyp till svarttext. Detta innebär att materialen är definierad och kan exporteras till FEM-Design 3D Structure, figur (15). De övriga materialtyperna måste också sammankopplas till dess motsvarigheter i FEM- Designs bibliotek för att kunna exporteras till FEM-Design 3D Structure.
Figur 15: Material i Revit bibliotek har kopplats till dess motsvarigheter i FEM-Designs bibliotek
När det gäller definiering av objektens tvärsnitt upprepas samma procedur som föregående emellertid under fliken ”Sections”.
Figur 16: Odefinierat tvärsnitt i Revit bibliotek markerad med röd text
19
Figur 17: Definierade tvärsnittsprofiler
Om en viss sektionstyp inte existerar i FEM-Designs bibliotek kan det skapas i programmet FEM-Design 3D Structure och därefter tilläggas i biblioteket. Skapade sektioner kan på så vis tillämpas för att definiera ett visst objekt i Revit modellen. När alla material- och
sektionstyper sammankopplats mellan programvarorna Revit Structure och FEM-Design 3D Structure är det viktigt att de behandlade exportinställningarna sparas i efterhand. För att undvika att återkoppla/ omdefiniera objekten på nytt är det viktigit att klicka på kommandon
"Apply", på så vis sparas informationen.
Figur 18: Exportering av analysmodellen från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure
20
3.3 Analys och beräkning i FEM-Design
3.3.1 Tillämpning av olika verktyg i FEM-Design
När beräkningsprogrammet FEM-design 3D Structure startas dyker fönsterrutan
"Configuration" upp, där den nationella anpassningen väljs.
I FEM-Designs tabmeny finns det ett antal huvudfunktioner som är placerade enligt den arbetsordning som skall följas i FEM-Design 3D Structure, det vill säga från vänster till höger.
Fliken ”Structure” tillämpas vid modellering av ett byggnadsverks struktur som omfattar bärande delar. Här kan också referenslinjer och nivåer skapas för en modell men även definiera infästningsförhållanden mellan olika komponenter. Infästningsförhållanden påverkar hur olika laster (egentyngd, nyttig last, snölast och vindlast) fördelas mellan de bärande delarna. Med verktyget "Cover" är det också möjligt att få en lastfördelning mellan elementen. För montering av stöd under bärande delar används verktyget "Support"
Figur 19: Olika verktyg under fliken Structure
Under fliken "Loads" finns det ett antal verktyg som kan användas för definiering av laster och lastkombinationer i modellen. En modell kan förses med lasttyperna egentyngd, nyttig last, snölast och vindlast.
Figur 20: Olika verktyg under fliken ”Loads”
21 Fliken "Finite elements" används för kontroll av kopplingar mellan elementen. Här kan även finita elementnät genereras för varje element i modellen. På så vis uppdelas elementen i mindre delområden för vilka analysen baseras på. För att erhålla noggrannare resultat i beräkningsprogrammet FEM-Design bör finita elementnäten utföras med god precision.
Figur 21: Olika verktyg under fliken Finite elements
Fliken "Analysis" tillämpas vid analys av modellen. Med denna inställning kan beräkningar uträttas för olika ändamål, exempelvis lastnedräkning, stabilitet, deformation mm. I FEM- Design 3D Structure är det också möjligt att dimensionera olika komponenter av ett konstruktionsverk. Ett antal dimensioner kan anges i programmet för olika element i modellen, därefter väljer programmet automatiskt de dimensioner som är lämpligast.
Figur 22: Olika verktyg under fliken Analysis
22
4 Genomförande
I denna studie har utgångspunkten varit att studera och behandla ett studentbostadshus som har skapats i Revit Structure (2016) för exportering till FEM-Design 3D-Strukture 15. Den analytiska strukturen av modellen har justerats i Revit Structure enligt de förutsättningar som är angelägna vid analys av modellen. Tanken har också varit att analysera i FEM-Design 3D Structure den exporterade analysmodellen beträffande lastnedräkning. För att utvärdera resultatens rimlighet har även en jämförelse gjort med handberäkning.
4.1 Förberedelse av produktionsmodell i Revit Structure
För att på ett effektivt sätt skapa en virtuell modell i Revit Structure för det aktuella
studentbostadshuset har olika DWG-filer (Cad ritningar) använts som underlag. DWG filerna och andra viktiga data beträffande byggnaden så som elementtyp, dimensioner, material osv har erhållits från företaget COWI. Dessa informationer har varit som hjälpmedel vid
skapande av produktionsmodellen (strukturmodellen) i Revit Structure.
Huset består av 9 våningsplan och är i stort sätt uppbyggd av prefabricerade element.
Fasaderna utgörs av 75mm tegel, 140mm isolering och 150mm bärande betong. De inre bärande väggarna består av 200mm homogen betong. Bjälklagselementen är av
prefabricerade HDF-balkar med tvärsnittsmåtten 1200x220 mm. Bjälklagen i trappgången består av 120 mm betongplatta i varje våningsplan. Balkongarean i varje plan varierar i storlek men dess tjocklek är densamma d.v.s. de utgörs av 250mm betong. Huset har olika fönsterstorlek med varierande utplacering i våningsplanen.
Första skedet av modelleringsprocessen i Revit Structure omfattade framställning av ”Levels”
och ”Grids” för fastställande av höjd och utbredning av huset. Vid modellering av första våningsplanen har DWG- filen för denna plan använts som underlag. Därefter placerades väggar, pelare, balkar och bjälklag i planen, figur(24). Planritningen för första våningen avviker från de övriga och det är endast i detta våningsplan som stålstomme i form av HSQ- balkar och VKR-pelare tillkommer. Förutom HSQ-balkar förekommer även betongbalkar som är utplacerade vid huvudentrén i våningsplanen. Eftersom vissa elementprofiler saknas i Revit bibliotek har ändringar genomförts i en befintlig elementprofil. I figur (23) redovisas en HSQ-balk som framställts genom att ändringar gjorts av en befintlig HSQ-balk.
Figur 23: HSQ-Balk
23
Figur 24: Strukturmodell för plan 1 i Revit Structure 2016
Planritningen för våning 2-9 är densamma, dock finns det lite avvikelser för vägghöjden i våning 2. Därför skapades plan 2 och kopierades upp till plan 9. Vägghöjden för plan 2 har reviderats i efterhand. Ytterväggarna för sista vångsplanen har modellerats separat eftersom dess utformning skiljer sig jämfört med väggarna i de övriga våningsplanen.
När samtliga våningsplan färdigställts påbörjades lokalisering av fönster och dörrar i våningsplanen av huset för att få en tydligare illustration av byggnadsverket.
Figur 25: Husets strukturella utformning i Revit Structure 2016
24
4.2 Förberedelse av den analytiska modellen i Revit Structure
Andra skedet av modelleringsprocessen har varit att korrigera den analytiska strukturen i Revit Structure. Ett antal referensplan har skapats för modellen i Revit för att på ett effektivt sätt sammankoppla våningsplanen med varandra. För varje plans topp- och bottennivå har en referensnivå angivits under inställningen ”Projektion” i menyn ”Analytical Alignment” i verktygsfältet ”Properties”.
Då en Revit modell används för beräkningsändamål är det viktigt att samtliga komponenter i modellen är korrekt sammankopplade med varandra. Detta innebär att alla analyslinjer och dess ändnoder är korrekt anslutna i analysmodellen.
När en analysmodell skall exporteras till ett beräkningsprogram kan det fritt anges vilka delar av konstruktionen skall inkluderas/exkluderas vid modellöverföringen. De bärande delarna måste aktiveras för att vara överföringsbara. Detta sker genom att i verktygsfältet
”Properties Structural” aktiveras inställningen "Structural" och "Enable Analytical Model"
för varje komponent som utgör en bärande funktion. I denna studie har exempelvis de bärande betongskit i fasaderna aktiverats i analysmodellen och de övriga skikten så som fasadtegel och isolering har inte tagits med vid modellöverföringen eftersom de är icke bärande. Egentyngden för de icke bärande skikten har tagits med i efterhand genom att de applicerats på konstruktionen i FEM-Design 3D structure som arealaster.
Figur 26: Yttervägg
En produktionsmodell är en virtuell prototyp av ett konstruktionsverk och kan inte användas för beräkningsändamål. För att få en beräkningsbar modell måste ändringar göras i den virtuella modellens analytiska struktur utan att det påverkar den fysiska utformningen. Det finns ett antal metoder som kan tillämpas vid sammankoppling av olika komponenters analytiska representanter i en modell. Det kan dels göras med hjälp av dragning av elementens ändnoder eller med verktyget ”Analytical Adjust”.
25 En annan metod är att justera de analytiska standardinställningarna för olika element. Detta görs” i verktygsfältet ”Properties” under menyn ”Analytical Alignment. Eftersom samtliga element i en modell är automatisk inställda på standardinställningen ”Auto-Detect” har det i vissa fall varit nödvändigt att ändra denna inställning till ”Projektion”. Därefter har ett önskat position/referensnivå angivits för analyslinjerna och dess ändnoder. Genom att granska analyslinjer och dess ändnoder i en modell kan det upptäckas om bindningen mellan olika komponenter är korrekt. Om det inte är korrekt kan det åtgärdas manuellt eller automatiskt.
Då analysmodellen färdigställts i Revit Structure och skulle överföras till FEM-Design 3D Structure valdes i fönsterrutan ”Code Standard” det nationella annexet ”Eurocode (NA:
Swedish)”. I dialogrutorna ”Material” och ”Section” översattes samtliga materialtyper och tvärsnittprofiler mellan programmen. Därefter valdes under fliken ”Export” att endast överföra referenslinjer (Grids) och nivåer (Levels) till FEM-Design 3D Structure.
Figur 27: Analysmodell i Revit Structure 2016
26
4.3 Justering och analysering i FEM-Design 3D Structure
I detta avsnitt beskriv olika stadier vid behandling av exportmodellen i FEM-Design 3D Structure. För att bearbeta beräkningsmodellen korrekt i FEM-Design 3D Structure har Strusofts bruksanvisning ”User Manual FEM-Design” tillämpats.[5]
Den öppnade analysmodellen i FEM-Design 3D Structure har filformatet StruXML. Detta filformat sammanlänkar programmen Revit Structure och FEM-Design 3D Structure med varandra och möjliggör att information tolkas och behandlas dess emellan. Vid analysering i FEM-Design 3D Structure är det viktigt att beräkningsmodellens informationsinnehåll
överensstämmer med den justerade analysmodellen i Revit Structure, annars kan det uppstå felaktigheter i analysresultaten.
Figur 28: Exporterad analysmodell i FEM-Design 3D Structure
27 4.3.1 Struktur (Structure)
4.3.1.1 Bjälklagselement
Bjälklagselementen utgörs av serieupplagda HDF-balkar med bredden 1200 mm. De yttersta HDF-balkarna upplagda i varje serie har förminskats för att inte sticka ut från väggar i
våningsplanen. Det finns ett antal metoder för justering av HDF-balkarnas utbredning. För att ta reda på vilken metod som är mest gynnsamt vid arbete med HDF-balkar har ett antal fall testats. Här nedan beskriv de olika fallen.
Fall 1: Ta bort den utstickande delen för varje HDF-balk i Revit Structure med verktyget
”Opening – By Face” och sedan exportera modellen till FEM-Design 3D Structure, figur (29).
Nackdelen är att de borttagna delarna ändå kvarstår i exportmodellen när den öppnas i FEM- Design 3D Structure. Ett sådant problem emellertid åtgärdas genom att de alltför bredda HDF-balkarna byts ut mot passande HDF-balkar som skapas i FEM-Design 3D Structure. Detta kräver dock mycket arbete och ansågs därför inte som ett effektivt arbetssätt. I figur (30) visas olika HDF-profiler som har skapats i FEM-Design 3D Structure.
Figur 29: I modell A visas en HDF-balk som sticker ut på en vägg och i modell B har den utstickande delen borttagits
A B
.
Figur 30: HDF-balkar med olika vidder skapad i FEM-Design 3D Structure
28 Fall 2: För de ytor som har mindre utbredning än 1200 mm har det skapats passande HDF- balkar i Revit Structure. Då exportmodellen öppnas i FEM-Design 3D Structure förblir HDF- balkarnas utbredning densamma i modellen. Problemet som återstår är att i både fall 1 och 2 tolkas HDF-balkarna som trådar när de exporteras från Revit Structure till FEM-Design 3D Structure, därför måste alla arealaster (egentyngd och nyttig last) omvandlas till linjelaster och appliceras separat på varje enskild HDF-balk i FEM-Design 3D Struckture. Detta kräver mycket arbete och tid och ansågs därför inte som ett effektivt arbetssätt.
Figur 31: HDF-balkar med olika vidder skapas i Revit Structure
Fall 3: Exkludera HDF-balkarna i Revit modellen vid export till FEM-Design 3D Structure.
Istället kan profilerade plattor (HDF-plattor) tilldelas i beräkningsmodellen i FEM-Design 3D Structure. På så vis undviks omvandling av arealaster till linjelaster när de ska appliceras på HDF-bjälklagen. De profilerade HDF-plattornas fysiska och analytiska struktur i modellen kan fritt omvandlas till serieupplagda HDF-balkar. När en viss profil inte existerar i FEM-Design 3D Strucure kan det skapas med verktyget ”Section Editior” och sedan lagras i biblioteket där. Fall 3 ansågs mest gynnsamt vid arbete med HDF-balkar eftersom denna arbetsmetod ger mycket tidsbesparingar. Därför har det skapats en HDF-balk med tvärsnittsprofilen 1200*220 mm i FEM-Design 3D Structure med verktyget ”Section Editior” och sedan används det i modellen.
De prefabricerade betongplattorna i byggnaden har tilldelats en lastspridning på 90-10 % i verktygsfältet ”Plane plate”. Detta innebär att 90 % av lasten sprids till betongplattornas spännriktning och 10 % till de kringliggande plattorna, figur (32).
Figur 32: Lastspridning på betongplattor
29 4.3.1.2 Fönster och dörrar
Fönster och dörrar i byggnaden har valts att försummas vid beräkning av reaktionskrafter i grundkonstruktionen. Detta för att underlätta att jämföra resultaten mellan handberäkning och analysen i FEM-Design 3D Structure.
4.3.1.3 Stöd
I första våningsplanen har linjestöd och punktstöd monterats under väggar och pelare.
Stöden under de bärande delarna verkar som ledad (Hinged). För samtliga väggelement har rörelsen för stödreaktionernas veka riktning (y-led) frigjorts så att den styva riktningen (x- leden) i väggelementen tar upp störst horisontella laster.
Figur 33: Linjestöd och punktstöd monterad under väggelement och pelare
30 4.3.1.4 Kopplingar
Med verktyget ”Edge Connection” har infästningsförhållanden mellan samtliga vägg-och bjälklagselement i modellen angetts. Här nedan beskrivs vertikala och horisontella infästningsförhållanden i beräkningsmodellen.
Vertikala kopplingar
Vägg-vägg:
Mellan väggelementens vertikalled finns tandade fog som verkar ledade (Hinged).
Styvheten för den tandade fogen har satts till 1*104 KN/m/m i x-led för att undvika att fogen blir alltför styv. Enligt Strusofts rekommendationer bör fog styvhet för prefabricerade väggar ligga mellan 1*104- 1*106. Då vertikalleden sätts som ledade för varje väggelement tolkar programmet
automatisk bindningen mellan väggelementen i en och samma knut som ledade.
Figur 34: Infästningsförhållande i vertikalled mellan väggelement
Horisontella kopplingar
Vägg-vägg:
Även i horisontell riktning sätts fogen mellan de prefabricerade väggelementen som ledade (Hinged).
Underkanten för varje väggelement har angivits som fast (rigid) och överkanten som ledade (Hinged), se figur (35).
Figur 35: Infästningsförhållande i horisontalled mellan väggelement
31 Bjälklag-bjälklag:
Fogen mellan två bjälklagselement verkar som ledade. I programmet har kanten för varje bjälklagselement satts som ledade (Hinged) i den knut där de möts.
Vägg-bjälklag (HDF-balkar):
Bindningen mellan väggelement och bjälklag har angivits som ledade (Hinged). I den knutpunkt där bjälklagselementens spännriktning ansluts till bärande väggar har fogen för bjälklagselementen ansatts som ledade (Hinged). De andra sidorna som verkar vinkelrätt mot bjälklagens spännriktning har ansatts till ledade (Hinged) och fri i z-riktning.
Ett annat fall som har påträffats är bindningen mellan två väggar och ett bjälklagselement.
Fogen mellan de har satts som ledade (Hinged) för två utav elementen och för det tredje som fast (Rigid). Programmet tolkar då bindningen mellan elementen som ledade.
Figur 36: Infästningsförhållande i horisontalled mellan vägg-vägg- HDF-balkar och HDF-balk- HDF-balk
32 4.3.2 Definiering av laster (Loads)
I dialogfönstret ”Load cases” har lastfallen egentyngd (DL), nyttig last (LL) och snölast (SL) definierats för modellen, se figur (37).
Figur 37: Verktyget” Load Cases” för definiering av lastfall i FEM-Design
I verktyget "Load groups" skapades olika last grupper med tillhörande karakteristiska egenskaper för lasttypen egentyngd, nyttig last och snö last. Sedan sammankopplades varje lastgrupp med dess motsvarige lastfall i verktyget "Load cases". Därefter utfördes
lastkombinationer med avseende på brottgränstillstånd enligt EC0 6.10.a, b.
Figur 38: Verktyget ”Load groups” vid definiering av last grupper i FEM-Design
33 Genom att klicka på kommandon "Generate" i dialogrutan "Load combinations" uppvisas alla möjliga lastkombinationer för lasterna i modellen. I denna studie har endast vertikala laster beaktats, därför är lastkombinationerna baserade på lasternas egentyngd, nyttig last och snölast.
Figur 39: Verktyget “Load combinations” för kombination av laster i FEM-Design
4.3.2.1 Egentyngd
Egentyngd tillhör kategorin permanentalaster och är alltså tungheten för olika
byggnadsmaterial. Till egentyngd kan det tillkomma extralaster som erhålls från pågjutning, innerväggar, balkongräcken, inglasning av balkong osv. Sådana laster är extralaster som appliceras på konstruktionen som arealaster. I verktygsfältet ”Load cases” har det valts under menyn ”Type” kategorin ”+Struc. dead load” för lastfallens egentyngd. Detta innebär att programmet automatisk tar hänsyn till vikten av alla strukturella element som ingår i modellen men också övriga extralaster som tillkommer. De är så kallade osynliga
belastningar, se figur(37).
4.3.2.2 Nyttig last
Nyttig last är variabla laster som appliceras på konstruktionen som arealaster. I denna studie har angivna indata för nyttig last hämtats ur tabell (4) ”Nyttig last på bjälklag, trappor, balkonger och vindsbjälklag i byggnader” som finns i Eurocode SS-EN 1991. I tabellen har kategori A för bostäder tillämpats.
4.3.2.3 Snölast
Snölast hör till variabla laster och appliceras på takkonstruktioner som arealaster. I detta projekt har snölast tilldelats på de bärande ytterväggarna i sista våningsplanen som linjelaster.
Indata för de aktuella lasterna har hämtats från Eurocode 1 (SS-EN 1991).
34 4.3.3 Finita element (Finite elements)
Fliken ”Finite elements” används bland annat vid kontroll av anslutning mellan olika komponenter i en modell. Genom att klicka på verktyget ”Objekt merge” söker programmet automatisk efter anslutningsfel i modellen. Med hjälp av detta verktyg kan också anslutningsfelen åtgärdas i modellen.
Analyser i FEM-Design 3D Structure är baserade på finita element metoden. Verktyget "Prepare"
används när ett nätliknande mönster tilldelas i en modell, så kallad finita elementnät (Mesh). Då en modell skall analyseras kommer analysen vara baserad på finita elementnäten. Genom att klicka på verktyget ”Finite elements" skapas ett optimalt
finita elementnät för modellen, se figur(40). Figur 40: Finita elementnät (Mesh)
4.3.4 Analys (Analysis)
I fliken ”Analysis” har verktygsfältet ”Calculations” öppnats för att välja kategorierna ”Load cases” och ”Load combinations”. Detta innebär att programmet endast tar hänsyn till de angivna fallen vid analys av modellen.
35
5 Analys
5.1 Test analys i FEM-Design 3D Structure
För att utvärdera förhållanden mellan handberäkning och resultaten i FEM- Design 3D Structure har ett antal tester/analyser gjorts av konstruktionen med avseende på lastnedräkning.
Här nedan redovisas alla linjelaster och punktlaster som uppkommer på bärande delar i plan 1 och plan 2-9. Alla linjelaster och punktlaster har benämnts enligt figurerna här nedan.
Figur 41: Planritning för linjelaster i våning 2-9
Figur 42: Planritning för linjelaster i våning 1
36
Figur 43: Planritning för punktlaster i våning 1
5.1.1 Test analys för plan 2
Testmodellen i figur (44) avser plan 2. Denna plan har överförts från Revit Structure till FEM- Design 3D Structure för analys.
Figur 44: Plan 2 i FEM-Design
37 Reaktionskrafterna i figur (45) har erhållits från analysen för plan 2 och är angivna som jämn utbredda reaktionskrafter för jämförelse med handberäkning
Figur 45: Jämnfördelade reaktionskrafter för plan 2 i FEM-Design
Tabell 2: Lastnedräkning för plan 2 i FEM-Design
Resultaten för reaktionskrafter i plan 2 redovisas återigen fast denna gång som icke linjära, och är alltså baserade på finita element metoden. Vid analys av modellen behandlas varje delområde i finita elementnätet. Därefter har det maximala värdet för reaktionskrafterna framtagits. Detta framgår i figur 46.
Figur 46: Maximala reaktionskrafter i plan 2 baserade på finita elementmetoden i FEM-Design
Testresultaten och jämförelse mellan de två beräkningsmetoderna redovisas för de övriga våningsplanen (plan 1, plan 3, plan 9- tak och plan 2-tak) längre fram i avsnitt 5.3.
LL i Plan 2 𝒒𝒅 FD LL-01a [kN/m] 21,8 LL-01b [kN/m] 21,8 LL-01c [kN/m] 21,8 LL‐02a [kN/m] 51,5 LL‐02b [kN/m] 51,7 LL‐02c [kN/m] 45,3 LL‐02d [kN/m] 51,5 LL‐03 [kN/m] 73,1 LL‐05 [kN/m] 53,7 LL‐06 [kN/m] 33,8 LL‐08 [kN/m] 39,3 LL‐09 [kN/m] 30,6 LL‐10a [kN/m] 21,8 LL‐10b [kN/m] 21,8 LL‐11a [kN/m] 21,9 LL‐11b [kN/m] 25,1 LL‐12 [kN/m] 31,8 LL‐13 [kN/m] 70,4 LL‐14 [kN/m] 53,3
