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: gdzie parametr <dane wejściowe> polecenia: BW7S <dane wejściowe> 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.