themaDe zin en onzin van 3D6200936themaDe zin en onzinvan 3DMening van een bouwtoezichtDe moderne constructeur beschikt over zeer geavanceerdecomputerprogramma's. Software die specifiek ontwikkeld isom complexe ruimtelijke bouwconstructies driedimensionaalte kunnen doorrekenen. Bij het maken van de afweging ofdergelijke hulpmiddelen moeten worden ingezet, speelt eenaantal belangrijke argumenten: de complexiteit van hetschematiseren, het bepalen van materiaaleigenschappen ende te verwachten `winst' door inzet van een dergelijk model.Maar er moet ook rekening worden gehouden met de speci-fieke nadelen van deze systemen.De zin en onzin van 3D 62009 37Een 3D-computerberekening voor het ontwerpen van(complexe) bouwconstructies geeft een integraal overzicht vande krachtswerking in die constructie. In het ruimtelijke modelworden alle elementen van de bouwconstructie als ??n of meeronderdelen geschematiseerd. Deze onderdelen worden in hetcomputermodel in `knopen' aan elkaar gekoppeld. Bij een3D-berekening heeft een dergelijke knoop zes vrijheidsgraden(translatie in drie richtingen en rotatie om drie richtingen).Voor elk van die richtingen moet het stijfheidgedrag voor de opde knoop aansluitende onderdelen zijn beschreven. De op deconstructie werkende krachten worden in hetzelfde driedimen-sionale vlak beschreven en kennen in beginsel ook dezelfde zeswerkingsrichtingen. De software is beschikbaar met verschil-lende graden van complexiteit. Een model kan opgebouwd zijnuit alleen staafelementen. Complexer wordt het wanneer hetmodel naast staaf-, ook plaat-, schijf- en nog meer denkbareruimtelijke elementen in zich heeft.Het toepassen van een dergelijk model kan soms bijna noodza-kelijk zijn omdat met een andere schematisering (bijv. in 2D)een oneconomisch of onvoldoende realistisch beeld van dekrachtswerking ontstaat. Heel extreem is dit bijvoorbeeld bijhet doorrekenen van space frames, zoals die vaak wordentoegepast in daken van grote hallen.Daarnaast kan een 3D-berekening een kwalitatieve verbeteringvan een meer traditionele berekening zijn. Ook kwantitatieveaspecten (repeterende onderdelen) kunnen aanleiding zijn tothet inzetten van 3D-berekeningen.Bij toetsing van berekeningen die zijn gemaakt met een3D-computermodel spelen twee kernaspecten een rol. Aller-eerst de betrouwbaarheid van het pakket en hoe je die beoor-deelt. Daarnaast is de beoordeling van het eigenlijke probleemaan de orde.BetrouwbaarheidHet ontwerpen van 3D-computerprogranna's is werk van speci-alisten. Het doorgronden van de opzet en inrichting van derge-lijke software is voor de meeste constructeurs/ingenieurs eenonmogelijke zaak. De vraag is of dat ook nodig is. We kunnenin onze herinnering nagaan (als we tenminste voldoende grijzeharen hebben) hoe we bijvoorbeeld aankeken tegen de eersteelektronische zakrekenmachines. Deze machientjes wonnenechter al snel het vertrouwen. Moeten we dit vertrouwen ookhebben in de huidige, zeer geavanceerde 3D-pakketten? Dezevraag is niet eenduidig te beantwoorden. De praktijk leert datze door de fabrikant soms hersteld moeten worden op onder-delen (tijdens updating). Gelukkig controleren de pakkettenzichzelf ook op vele fronten.Daarnaast kan de gebruiker zelf ook enige eenvoudige contro-les uitvoeren. Regelgeving helpt de (publiekrechtelijke) gebrui-ker hierbij enigszins. In het Besluit indieningsvereistenaanvraag bouwvergunning (Biab) zijn twee paragrafen gewijdaan constructiedocumenten. In 2.3 staan de eisen waaraanberekeningen moeten voldoen en 3.3.1 stelt eisen aan de wijzevan aanleveren van gegevens en bescheiden. Het bouwtoezichtkan strikt aan de in deze paragrafen genoemde eigenschappentoetsen.De gebruiker van een 3D-pakket moet zich goed realiseren datinzet van het pakket zonder de vereiste basiskennis van degebruikte rekenmethodiek, kan leiden tot een niet adequaatresultaat. Als een constructeur/ingenieur bijvoorbeeld een3D-model schematiseert met platen en/of schijven zonderenige kennis van de elementenmethode, is dit vragen om moei-lijkheden.Ing. H. van Maaren en Ing. A. de VriesGemeente Amsterdam , Stadsdeel CentrumthemaDe zin en onzin van 3D6200938WijzigingenIs het voorgaande anders van aard dan bijvoorbeeld bij2D-berekeningen? Het antwoord hierop is bevestigend. Veran-deringen in een 2D-berekening hebben een lokaal karakter; eenwijziging van het model heeft daardoor relatief een beperkteffect. Vooral bij de wat grotere 3D-modellen waaieren degevolgen van een lokale wijziging verder uit in de constructie.Een wijziging op een wat later tijdstip in het ontwerpproces kanvoor de constructie veelomvattende gevolgen hebben. Extremegevolgen kunnen ontstaan als bijvoorbeeld door het bouwtoe-zicht bij de toetsing van het definitief ontwerp beduidendeonvolkomenheden worden gevonden, en een `re-run' van decomputerberekening noodzakelijk is. Een dergelijke situatieheeft in 2007 bij een groot bouwwerk in Amsterdam geleid toteen vertraging van een jaar en een enorme overschrijding vande bouwkosten.Bouwtoezicht toetst 3D-berekeningen op potenti?le risico's.Fouten treden eerder op bij complexe constructies, constructieswaarmee weinig ervaring is opgedaan en constructies waarbijBeoordelingEen tweede kernaspect is de beoordeling van de mechanica-som. Het probleem daarbij is de implementatie van de bouw-constructie en de daarop werkende belastingen in het 3D-computermodel. Daartoe moet de bouwconstructie geschema-tiseerd worden in voor het pakket herkenbare elementen quaplaats en kwaliteit. Als systeemlijnen van onderdelen van debouwconstructie kunnen samenvallen met systeemlijnen in hetcomputermodel dan is schematisering relatief eenvoudig. In depraktijk is dat echter vaak niet het geval. Bijvoorbeeld doorexcentrisch `verjongen' van constructieonderdelen of door hetplaatsen van vloerschijven op daaronder aan te brengen balken.Naast deze geometrisch problemen kunnen ook de constructie-eigenschappen voor moeilijkheden zorgen. Alle onderdelen vande constructie moeten van relevante eigenschappen wordenvoorzien. Als de onderdelen standaard zijn (gebruikelijke door-sneden met een prismatisch karakter) is dit relatief eenvoudig.Het wordt echter lastiger wanneer bijvoorbeeld torsietraaghedenvan bijzondere profielen moeten worden bepaald. Nog lastiger ishet de capaciteit van een verbinding tussen een onderdeel van deconstructie en een `knoop' te defini?ren. Is deze star of is ersprake van een elastische of elasto-plastische relatie? De uitkom-sten van de computerberekening zijn in belangrijke mate afhan-kelijk van een goede opgave van deze waarden.De praktijk leert dat de invoer op dit vlak correct moet zijn.Het op een later tijdstip `aanscherpen' van dit soort gegevensheeft vervelende consequenties. Eerdere versies van de bereke-ning zijn bijvoorbeeld al doorgegeven aan een prefab-ontwer-per. Uiteraard geldt de vereiste zorgvuldigheid ook voor deopgave van de belastingen.De zin en onzin van 3D 62009 39presentatie die mogelijk zijn. Basisregel is: genereer de volledigeinvoercontrole! Maak een grafische presentatie van de geome-trie en van elk der afzonderlijke belastinggevallen. Vul deinvoergegevens ook aan met specifieke kracht-vervormingrela-ties die gebruikt worden bij het fysisch niet-lineair elastischrekenen en geef aan wat de be?indigingcriteria zijn van iteratie-processen.Slechts bij een volledige weergave van de ingevoerde parame-ters is een adequate controle van de schematisering van hetprobleem mogelijk.Aandachtspunten bij uitvoerDe programma's kennen een veelvoud aan uitvoermogelijkhe-den maar niet alles is even zinvol. Welke waarden zijn zinvol inwelke situatie? Gewone spanningen of hoofdspanningen,gemiddelden over elementen, in het hart van elementen of inGauss Points? Welke evenwichtscontroles zijn opportuun? Oponderdeelniveau kunnen evenwichtscontroles worden uitge-voerd en kunnen aansluitvoorwaarden worden gecontroleerd.Maar evenwicht kan alleen in knopen worden gevonden. Inelke knoop kunnen snedekrachten worden opgevraagd.falen tot grote schade leidt. Er is een trend de hele constructiein ??n model te gieten. Fouten en wijzigingen waaieren in diesituatie over de hele constructie uit en werken heel ver doorzonder dat dit ontdekt wordt. Dergelijke modellen zijn ondoor-zichtig en dus lastig te controleren waardoor het overzicht bijzowel constructeur als het bouwtoezicht verloren gaat.Een dergelijke situatie ontstaat al snel als verschillende basis-materialen worden gebruikt in hetzelfde model. Bijvoorbeeldstaalconstructies, betonconstructies (zowel in het werkgemaakt als prefab) en funderingselementen. Hoewel hetduidelijk is dat er interactie bestaat tussen de individuelecomponenten, is het nodig het opnemen in ??n samenvattendeberekening zorgvuldig af te wegen.Voor het bouwtoezicht is de beoordeling lastig. De gebruiktecomputersoftware is meestal niet beschikbaar, zodat schaduw-berekeningen niet kunnen worden gemaakt en daarmee hetbeoordelen van het effect van veranderingen ook niet eenvou-dig mogelijk is. Het bouwtoezicht kan zich in die situatieslechts beperken tot beperkte controle.Aandachtspunten bij invoerBij het modelleren moeten veel eigenschappen van de bouw-constructie worden vertaald in detaileigenschappen van hetcomputermodel. Steunpunten (star of verend, al dan nietopnemen trek en/of druk), materiaaleigenschappen en dimen-sies moeten goed worden ingevoerd. Er komen stijfheden enmateriaalconstanten en -variabelen voor (glijdingsmodulus entorsiestijfheid) waar menig constructeur weinig ervaring meeheeft. Er moeten keuzen worden gemaakt ten aanzien van ??nof meer elementtypen, netfijnheid enz. Aandacht moet wordenbesteed aan het ontwerp, vooral als het handelt om excentri-sche aansluitingen van elementen van de bouwconstructie.Bedacht moet worden dat de uitkomsten kunnen verschillen bijberekening van ??n en hetzelfde constructieonderdeel, bere-kend met verschillende fijnheden van het elementennet. Brengbelasting aan in belastinggevallen en combinaties die eenvou-dig zijn te traceren. Alle parameters be?nvloeden de uitvoer vaneen berekening. Check daarom de invoer, immers: `garbage in,garbage out'. Ga na of het rekenmodel overeenkomt met detekening en laat geen verwarring over dimensies bestaan. Maakeen lijst van waarden die niet dagelijks worden gebruikt enhanteer die lijst bij de invoergegevens.Er moeten keuzes gemaakt worden in programmaopties.Kirchoff of Mindlin, profielenbibliotheek, oplosmethode, stijf-heid van breedplaatvloer enz. Motiveer de keuze en leg dezeook in een aparte lijst vast.Ten slotte kunnen programma's de invoer beter toetsbaarmaken. Dit kan door de vele opties van grafische en numeriekethemaDe zin en onzin van 3D6200940geworden. Basisregel zou dus moeten zijn dat de invoercontrolezo optimaal mogelijk wordt gepresenteerd bij een 3D-bereke-ning. Ook de presentatie van de uitvoer behoeft aandacht.Naast bovenstaande bespiegelingen is het nuttig een afwegingte maken of een beoogd ontwerp met een 3D-model moetworden uitgewerkt. Ervaring leert dat goede voorbeelden vanhet toepassen van geavanceerde 3D-modellen zich meestalafspelen binnen ??n materiaalsoort. In Amsterdam bestaandaarvan recent enige goede voorbeelden. Een slecht en onvol-doende uitgewerkt model, ook in Amsterdam, van een bouw-constructie waarbij van funderingselementen, betonconstructietot en met staalconstructie waren opgenomen heeft daarente-gen dramatische gevolgen gekend. Toen het bouwtoezichtonduidelijkheden ontdekte in de berekening was de procesgangrondom het constructief ontwerp zo ver gevorderd, dat deeffecten van de `re-run' op veel onderdelen van het ontwerpenorm was. Een opzet waarbij per stramien was gekozen vooreen 2D-berekening zou in dit opzicht veel minder gevolgenhebben gehad.Eenvoudige schaduwberekeningen kunnen het constructeurs-gevoel helpen onderbouwen. De kracht boven een kolombijvoorbeeld is handmatig goed in te schatten en is dus directeen controle. Verende steunpunten hebben een niet te onder-schatten invloed op de krachtswerking. Twijfelachtige uitkom-sten kunnen ermee verklaard worden. Het is belangrijk in deuitvoer niet alleen de omhullende weer te geven maar ook deuitkomsten van elk individueel belastinggeval of van elke indi-viduele combinatie. Grafische presentaties maken uitkomstendaarbij inzichtelijk.Zin of onzin?Voor het bouwtoezicht is het beoordelen van een geavanceerdeberekening, gemaakt met een 3D-computermodel een wareuitdaging. Ervaring leert echter dat ontwerpende constructeurszo diep in het ontwerp zitten dat ze het probleem niet meer ziendoor de bril van een meer of minder deskundige buitenstaanderdie de rekensom in opzet probeert te doorgronden. Het gevolgis dat het teruglezen van de invoer een bijna onmogelijke zaak is