Návrh a posouzení konstrukcí z papíru

Tento článek je dostupný také v dalších jazycích:
Uživatelé IDEA StatiCa neustále volají po nových materiálech, se kterými by bylo možné navrhovat a posuzovat stavební konstrukce. Dlouho jsme se rozhodovali, kterému z materiálů dáme přednost. Požadavků bylo spousta - dřevo, kompozit, sklo, plasty a další. Ale jeden z nich převládal - PAPÍR!

Hned na začátek musíme přiznat, že se jednalo o největší výzvu, jaké jsme v historii firmy čelili. Ale my výzvy prostě milujeme. Takže po mnoha letech vývoje, testování a ověřování je nežádanější funkcionalita konečně tady!

Díky aplikaci Paper, dostupné v nejnovější verzi IDEA StatiCa F00I můžeme hrdě prohlásit, že v našem softwaru můžete navrhovat a posuzovat nejrůznější typy konstrukcí z papíru. 

Proč zrovna papír? 

Historie papíru sahá tisíce let zpět do starověkého Egypta. Od té doby bylo vyrobeno, použito a popsano tisíce tun tohoto materiálu. V poslední době si začal nacházet cestu také do výstavby. 

Důvody pro použití papíru jsou jednouché: 

  • ekologický materiál
  • plně recyklovatelný
  • dostupný finančně i geograficky
  • barvitelný
  • jedlý (v některých případech)

Navzdory své dlouhé historii a variabilnímu použití, papír dosud mnoho prostoru ve výstavbě nedostával. Časy se ale mění. Možná jste zaregistrovali např. první lepenkovou katedrálu od světoznámé architektonické legendy, Shigaru Bana, která stojí v novozélandském Christchurch. 

Ale není to ojedinělá vlaštovka. Čím dál více se objevují další stavby z tohoto progresivního materiálu, jako jsou např. mosty,

domy, chaty, stany nebo dětské herní a zábavní prvky. 

A upřímně, asi všichni přece chceme, aby si naše děti hrály v bezpečných stavbách...

Ale IDEA StatiCa nechce v tomto ohledu klást fantazii meze. Ať už si vymyslíte prakticky jakoukoliv konstrukci z papíru, v IDEA StatiCa si ji nyní jste schopni navrhnout a posoudit. 

Dokonce jsme nezapomněli ani na školní projekty. Vždyť většina z nás, ať už jsme inženýři nebo architekti, během svých studií vytvářela nejrůznější papírové modely budoucích nebo existujících staveb. A jedinou možností, jak posoudit, zda tato miniaturizovaná konstukce bude dostatečně pevná a odolná, byly praktické zkoušky (nejčastěji nárazové zkoušky nebo zkoušky odolnosti vůči ohni, vodě či jiným alkoholickým a nealkoholickým nápojům). 

Pro současné i budoucí studenty tak máme vynikající zprávu, protože statiku a stabilitu svých miniaturizovaných staveb si budou nyní moci ověřit v naší aplikaci. A stejně jako u ostatních našich aplikací, je studentská verze dostupná zdarma.  

Teoretické základy IDEA StatiCa Paper

Díky nové aplikaci Paper jsme mohli přidat zcela nový typ materiálu do portfolia produktů IDEA StatiCa. Vedle ocelových prvků a styčníků, zahrnujících mimo jiné také spoje ocel-dřevo a ocel-beton, a betonových konstrukcí, tak nově máte možnost navrhovat a posuzovat konstrukce z papíru.

Naším hlavním cílem bylo minimalizovat případná omezení návrhu daná materiálem, proto jsme přišli se zcela novou inovativní metodou posouzení chování papírových modelů – CPFEM (Cellulose Paper Finite Element Method). 

Pracovní diagram metody CPFEM: 

K velkému překvapení našich inženýrů jsme zjistili, že celá matematická metoda, na které je náš řešič postaven, byla objevena již před tisíciletími a opírá se o jednoduchou a velmi známou rovnici: 

Libovolná konstrukce

Metoda CPFEM umožňuje uživatelům použít pro konstrukci prakticky libovolný typ papíru:

  • stoh kancelářských papírů
  • vlnitá lepenka
  • ruličky od toaletního papíru
  • a spoustu dalších.

Libovolný typ spoje

Díky výše uvedené metodě CPFEM, která tvoří jádro aplikace IDEA StatiCa Paper, nejsou uživatelé nijak limitovaní ani v tom, jak jednotlivé prvky konstrukce spojí. V aplikace můžete používat papíry spojené lepidlem, sponkovačkou, kancelářskou sponkou nebo sklady (pracovně tomuto pspoji říkáme "origami"). 

Analýza a posudek

Jak si asi dokážete sami domyslet, když je řeč o papíru, byly posudky konstrukcí tou největší výzvou. Naši inženýři trávili v laboratořích dny i noci, aby byli schopni posoudit a ověřit celé široké spektrum papírových konstrukcí. Vzhledem k vlastnostem papíru je pochopitelné, že nejobtížnější byly tyto tři typy testů: 

    • voděodolnost (rozpuštění)
    • odolnost vůči ohni
    • zatížení větrem (analýza průhybu, odolnost vůči odvanutí konstrukce)

Naštěstí s dvěma prvními typy analýz pomohl samotný papírenský průmysl. Zrovna před několika málo lety totiž vědci ohlásili vynález voděodolného a ohnivzdorného papíru. Jejich pokusy a testy jsou natolik slibné, že s použitím této technologie počítáme právě pro budoucí stavební konstrukce a probáhaly s ním veškeré testy. 

Musíme také přiznat, že největší problémy nám nakonec dělaly testy zatížení větrem, konkrétně tzv. blow-door test, který jsme ověřovali na konstrukci postavené ze stohu kancelářských papírů. Ostatně výsledky testu si můžete sami prohlédnout na krátkém videu. 

Ověření výsledků

Spolehlivost byla, je a vždy bude základním kamenem produktů IDEA StatiCa a aplikace Paper samozřejmě nemůže být výjimkou. Proto jsme na výzkumu a testování spolupracovali s nejvyšší autoritou v oboru papírenství – univerzitou papyru Ramsese III. v egyptské Káhiře. 

Univerzitní týmy strávily řadou testů mnoho let. Výsledky byly porovnávány s normovými požadavky pro výstavbu, ačkoliv z pohledu papírových konstrukcí jsou normové požadavky poměrně skoupé. Metoda CPFEM překonala veškeré předpoklady a očekávání a zaručuje spolehlivost a odolnost papírových staveb, takže inženýři mohou klidně spát. 

Na obrázcích níže se můžete podívat, jak probíhaly například testy odolnosti konstrukce modelu papírového mostu, které byly následně ověřeny pomocí metody CPFEM. 

Dejte papíru šanci

V IDEA StatiCa bezmezně věříme papíru jako stavebnímu materiálu budoucnosti. Investovali jsme do této oblasti naše prostředky, čas a dobré jméno společnosti. Naším cílem je poskytnout inženýrům nástroj, který umožní efektivně, rychle a jednoduše navrhnout a posoudit stavby z tohoto všeobecně známého, dostupného a ekologického materiálu, který je ale v oblasti výstavby dosud podceňován. 

Nová aplikace IDEA StatiCa Paper ve verzi F00I je exkluzivně dostupná pouze 1. dubna 2021 a můžete si ji stáhnout na této stránce

A pokud jsme vás o nových mimořádných funkcích a vlastnostech naší nové aplikace nepřesvědčili, snad jsme vás aspoň pobavili a rozesmáli. 

Přejme krásný "Apríl". 

Copyright images: shigerubanarchitects.com, myonebeautifulthing.com, SimScale, ScienceDirect.com, Brandon Tran, Eugene Choo

Byl tento článek užitečný?