Normy vs fizyka

Temat ten pojawił się podczas jednej z dyskusji na FEA guild, więc uznałem, że go rozwinę. Będzie to dla mnie pomocne również w przyszłości (a jeśli Cię przekonam, będzie to przydatne również dla Ciebie), ponieważ zamiast dyskutować o tym z każdym Klientem, będę mógł go po prostu odesłać do tego posta – więc niech będzie on przyjemny i zabawny : )

Jest to dla mnie na tyle ważne, że postanowiłam użyć tutaj materiału, który stworzyłem pierwotnie dla mojego kursu o MESie.

Muszę przyznać, że temat, o którym dzisiaj napiszę, pozbawia mnie radości z projektowania. W zasadzie to mnie wkurza, ponieważ „niszczy” jakość inżynierii. Staram się nie narzekać tutaj na blogu, ale dzisiaj jednak trochę będę : )

Normy

Bez wątpienia istnieje wiele różnych dokumentów, które w ogólny sposób wskazują drogę przy projektowaniu. Niektóre są bardzo przydatne, inne niezbyt. Jako że głównie pracuję na rynku europejskim (a to niespodzianka!), naturalnie najbardziej znane mi są Eurokody. Ale używałem także innych norm projektując konstrukcje na innych kontynentach lub rzeczy dla innych gałęzi przemysłu.

Ogólnie uważam, że można podzielić „dokumenty dotyczące zasad projektowania” na dwie kategorie:

• Jak robić rzeczy: DNV-RP-C208 jest tutaj świetnym przykładem. Po przeczytaniu tego dokumentu niekoniecznie wiesz, jak policzyć rzeczywistą, podpartą w prosty sposób belkę, ale za to dowiesz się jak przeprowadzić jej analizę (jakie zjawiska należy wziąć pod uwagę etc.). Innymi słowy, bardziej przypomina to podręcznik do „kalkulatora” niż zbiór równań, których trzeba użyć, aby coś obliczyć. Tak przy okazji, naprawdę świetna lektura!
• Kiedy rzeczy się niszczą… według normy: W budownictwie jest to przeważający rodzaj dokumentów (na przykład większość Eurokodów). Tak naprawdę nie mówią, jak obliczyć rzeczy… mówią tylko niejasno, czego „oczekują” od analizy, ale nie jak ją wykonać. Dostajesz więc dużo równań, tabel i wykresów, które mają „prowadzić” Cię przez projekt. Większość z nich nawet nie wymaga obliczeń komputerowych tak długo, jak znasz siły wewnętrzne w elementach. W tej kategorii dodałbym jeszcze normy, które mówią* jakie przyłożyć obciążenie, o jakiej wartości i gdzie. Wiesz, coś jak „do tej konstrukcji należy przyłożyć obciążenie parciem wiatru o wartości 1.36kPa… ponieważ tak nam się podoba!”.

*wiem normy nie mówią… one raczej błagają o litość : )

Nie będę tutaj komentował dokumentów, które uczą tego „jak robić rzeczy”. Powiem tylko, że jest ich o wiele mniej i zazwyczaj dobrze służą celom, do których zostały stworzone. Oczywiście, niektóre są lepsze, a niektóre gorsze, ale w najgorszym przypadku nie będą łatwe do zrozumienia. Skupię się tutaj na normach projektowych, które określają to, kiedy powinno uważać się konstrukcję za „zniszczoną”. Zazwyczaj to tam dzieje się magia!

Cel istnienia norm

Teoretycznie można powiedzieć, że celem norm i reguł jest jak najwierniejsze odwzorowanie zjawisk fizycznych. Chociaż brzmi to „szlachetnie”, takie stwierdzenie jest również nieco naiwne…

Określenie celu norm i ich napisanie jest w rzeczywistości niezwykle delikatnym i trudnym procesem. Gdybym musiał się tym zajmować… byłbym mocno zestresowanym człowiekiem. Oczywiście, chodzi o to, by umożliwić ludziom przestrzeganie zasad i bezpieczne projektowanie konstrukcji. Ale co to dokładnie znaczy? Zwłaszcza, że są rzeczy, które musisz założyć oraz rzeczy, których absolutnie zakładać nie możesz:

• Nie zakładaj, że projektant wie, jak to zrobić! Gdyby można było założyć, że ktoś robiący projekt wie co robi, w normie mógłby istnieć tylko zapis „zrób to poprawnie”. Ale tak nie można. Widząc, jak przekazujemy wiedzę na uczelniach, znając efekt Dunniga-Krugera, itd… nie można tak po prostu zakładać, że ludzie będą projektować rzeczy „poprawnie”! Oznacza to, że musisz chronić siebie jako autora normy („to nie ja, to te głupie zasady!”) oraz projektantów („nie miałem pojęcia, że coś takiego istnieje!”) od tego, czego projektanci sami nie wiedzą.
• Zakres jest nieograniczony! Tjaa… norma jest jak przewodnik. Mówi, jak obliczać rzeczy. Zasadniczo jest trochę jak „tutorial”, co nie? I jak tu zrobić tutorial np. do stalowej ramy, który uwzględni wszystkie możliwości? Nie ma na to odpowiedzi! Niezależnie od tego, ile wymyślisz rzeczy do uwzględnienia, jestem pewien, że znalazłby się odpowiednio zmotywowany inżynier (dysponujący czasem), który znalazłby zagadnienia, które pominąłeś. Po prostu dlatego, że istnieje nieskończona liczba rzeczy, który można zaprojektować. Nie wspominając o tym, jak długa musiałaby być norma, która uwzględnia wszystkie możliwości… nikt by tego nie przeczytał (nie mówiąc już o nauce i właściwym użyciu). Oznacza to, że niektóre problemy są „pomijane”, a inne są tylko niejasno opisane.
• Nikt nie wie! To jest dobre. Jak napisać zbiór zasad dotyczących projektowania konstrukcji, jeżeli nikt nie wie, jak je projektować. Oczywiście, tworzymy projekty, opierając się na doświadczeniu (a nawet szczęściu!), ale jak to unormować? To zupełnie inna bajka.

Wszystkie powyższe punkty oznaczają, że w normach projektowych należy zastosować pewien „poziom bezpieczeństwa”, który weźmie to wszystko (i wiele więcej!) pod uwagę. Zazwyczaj ludzie kojarzą ten poziom bezpieczeństwa ze „współczynnikami bezpieczeństwa”, ale oczywiście jest to znacznie bardziej złożone!

Zastanawiałeś się kiedyś, jak dużo „rzeczy” musiałoby leżeć na podłodze, by było odwzorowaniem obciążenia wymaganego przez normy dla podłogi w Twoim biurze? Myślę, że mogłoby Cię to mocno zaskoczyć!

To samo dotyczy kryteriów projektowych. Wiele norm nadal mówi, że coś „się niszczy” już w pierwszym punkcie uplastycznienia konstrukcji. Na szczęście się to zmienia (dzięki upowszechnianiu się korzystania z nieliniowego MESa), ale dalej można się na to natknąć w wielu dokumentach (w tym w Eurokodach)!

Dokąd nas to prowadzi?

Nareszcie docieramy do sedna sprawy! Problem opisany powyżej prowadzi tylko do jednego rozwiązania – konserwatywnego projektowania wg norm. Będzie to dotyczyło przede wszystkim obciążeń, ale czasem zdarza się, że warunki graniczne również są mocno konserwatywne.

Można by powiedzieć:

Czemu miałbym się przejmować?! Wszyscy pracujemy według tych samych zasad, a przynajmniej wszystkie nasze projekty są „bezpieczne”!

Niestety, ale tak nie jest. Najlepszą analogią będą tutaj zasady ruchu drogowego. W angielskiej wersji tego posta musiałem tłumaczyć ja tutaj się podchodzi do przepisów, ale wiem że wiesz o co chodzi : P

Zasadniczo istnieje kilka możliwości przestrzegania zasad ruchu drogowego. I myślę, że każdy inżynier powinien zdawać sobie z tego sprawę, w szczególności jeśli to Ty podejmujesz decyzje lub jesteś odpowiedzialny na samym końcu:

Jak przestrzega się zasad:

• Zasady są ok – jest to idealny przypadek. Pomyśl o tym w ten sposób – jeśli w naszym kraju nie używano by wielu limitów prędkości, a zobaczyłbyś znak informujący o takim ograniczeniu, pomyślałbyś: „musi być to istotne, ponieważ rzadko używają tych znaków!”. I po prostu przestrzegałbyś zasad, ponieważ zignorowanie ich byłoby głupotą…
• Zasady są głupie, ale ich przestrzeganie jest mocno kontrolowane – to ciekawy przypadek! Wiesz, że ograniczenie prędkości jest idiotyczne i wszyscy mogliby jechać tędy bezpiecznie dużo szybciej… ale jeżeli przekroczysz prędkość prawie na pewno dostaniesz mandat (i punkty karne). W taki razie będziesz przestrzegał zasad z obawy przed karą.
• Zasady są głupie, ale ich przestrzeganie NIE jest kontrolowane – Niestety, jest to dość powszechne zjawisko (zarówno na drogach jak i w budownictwie). Jeśli zasady są głupie i raczej nie zostanie się „złapanym” za nie przestrzegając ich… to po prostu się je ignoruje. Ok, może nie dotyczy to wprost Ciebie… ale wiele innych osób tak robi. I to jest ogromny problem!

Dobra, wracajmy już do inżynierii i budownictwa : )

Zazwyczaj nikt nie kłóci się z przemyślanymi i rozsądnymi normami. Jestem prawie pewien, że takie normy istnieją, ale nie mogę tego powiedzieć całkiem szczerze o Eurokodach. Oczywiście, wskazują dobrą drogę przy projektowaniu, ale poziomy bezpieczeństwa są od czasu do czasu absurdalne.

Zatem ludzie starają się unikać nieracjonalnych przepisów. Jeśli ich praca jest później weryfikowana, naginanie zasad raczej nie występuje, po prostu dlatego, że nikt nie chce wpaść w kłopoty. Problemy zaczynają się, gdy nie ma żadnej kontroli lub jest ona sporadyczna (tak bym obecną sytuację określił). Oznacza to, że ludzie „stają się leniwi” i ignorują rzeczy trudne do obliczenia… ponieważ istnieją współczynniki bezpieczeństwa.

Właśnie w taki sposób rynek pełen jest inżynierów, którzy liczą rzeczy szybko, byle jak i za małe pieniądze, psując w ten sposób perspektywy ludziom, którzy woleliby sprawdzić wszystko dokładnie. Nawet gdy znajdziesz Klienta chętnego, by zapłacić dodatkowe pieniądze za wszystkie sprawdzenia… nie będzie on zadowolony z takiej pracy! Po prostu dlatego, że projekt wykonany przez inżynierów nie przestrzegających norm i przepisów, będzie „bardziej ekonomiczny”!

Mam wrażenie, że w wielu przypadkach „doświadczenie” w projektowaniu polega generalnie na wiedzy, które zasady można bezpiecznie zignorować…

Historia złego projektowania lub jak zostać idiotą

Ta historia naprawdę mi się przydarzyła i dzięki temu wiem, o czym piszę. Dostałem zlecenie optymalizacji typowej konstrukcji produkowanej i sprzedawanej przez mojego Klienta od 20 lat. Po prostu stwierdzili, że nadszedł czas, by „ulepszyć” projekt i zredukować wagę konstrukcji, więc zlecili mi wykonanie obliczeń MES.

Mojemu zespołowi zajęło to 2 miesiące, ponieważ w projekcie było wiele rzeczy do sprawdzenia. W końcu wziąłem nasze opracowanie i przyszedłem do Klienta mówiąc:

Konstrukcja, którą produkujecie jest zbyt słaba! Nie można nic zoptymalizować – w zasadzie to musicie natychmiast ją wzmocnić, ponieważ większość elementów jest wytężona na 150% zgodnie z EC!

Ludzie na spotkaniu byli lekko zszokowani i myśleli pewnie, że jestem idiotą.

Warto zauważyć, że w projekcie użyłem nieliniowej analizy MES. W tamtym czasie byłem jedną z nielicznych osób w tej okolicy, która była w stanie przeprowadzić takie obliczenia. Jestem absolutnie pewien, że nie mogli dostać „lepszych” wyników, a ich wcześniejszy projekt musiał mieć błędy!

Co powiedział mój Klient:

Panie… robimy te konstrukcje od 20 lat. Nigdy nie mieliśmy problemów!

Poprosiłem więc grzecznie o to, by pokazali mi swój projekt, bym mógł wypunktować błędy (niemożliwe, żeby był on dobrze policzony i byłem tego pewien). A oni powiedzieli, że nigdy nie liczyli tej konstrukcji (!). Po prostu wyprodukowali parę prototypów, porobili parę testów i rozpoczęli produkcję.

Zapytałem, jak sprawdzili zgodność konstrukcji z obecnie obowiązującymi normami. Powiedzieli, że ich to nie obchodzi!

Zaniemówiłem…

Ale po kilku latach doszedłem do wniosku, że może mieli rację. Mam na myśli coś takiego: produkowali to przez 20 lat i nie było żadnych problemów… czy to przypadkiem nie oznacza że konstrukcja po prostu działała? Fakt, że normy wskazywały na to, że konstrukcja nie powinna działać, nie oznaczało jej awarii i katastrofy. Może to oznaczać, że procedury normowe źle oceniają nośność (ale obecnie możemy całkiem dokładnie obliczyć to w MES). Inną możliwością są znacznie przeszacowane obciążenia.

Poprawnie byłoby zaznaczyć że wszystki jest procesem stochastycznym* i osłabiając konstrukcję Klienci zwiększyli prawdopodobieństwo awarii i być może to prawdopodobieństwo jest chwilowo wyższe niż „akceptowalne w normach”. No ale skoro od 20 lat nic się nie działo… może warto na coś takiego postawić?

* Co ta uczelnia robi z ludzi… 😛

Jak być idiotą

O wnioskach z tego projektu piszę ze smutkiem. Nie tylko dlatego, że tak nie powinno być, ale również dlatego, że jest to złe dla mojej firmy.

Ilekroć idę na pierwsze spotkanie z potencjalnym Klientem zawsze mówię, że można wykonać projekt kierując się prawami: Matki Natury, czyli fizyki albo norm. Fakt, że konstrukcja nie spełnia zapisów normowych nie oznacza awarii. Najprawdopodobniej nawet na dłuższą metę. Kiedyś pomagałem wzmocnić konstrukcję, której wytężenie przekraczało 600% (!) – obok niej przeszło nawet tornado… i nic!

Ale przecież to wcale nie znaczy że jest wypas:

Ktoś będzie musiał wziąć odpowiedzialność za nieprzestrzeganie zapisów normowych… ponieważ fakt, że coś nie uległo awarii, nie oznacza, że nie zawali się później! Co więcej, Bóg codziennie wstaje rano i rzuca monetą – w końcu wypadnie orzeł…

Na początku, każda Firma mówi, że chcą projektu według norm. To takie typowe: „robiliśmy to przez wiele lat bez żadnych problemów, na pewno spełniamy przepisy”.

Potem przychodzę do nich i pokazuję wszystkie kryteria, których nie spełnili. Oczywiście próbują bronić swój produkt przed tymi „głupimi przepisami”. Parę lat temu to nawet bym bronił „swojego projektu” (a przez to wymogów normowych). Zastanawiałbym się nawet czemu Ci ludzie spierają się z jasno opisanymi przepisami.

Teraz jestem mądrzejszy. Kiedy jakimś cudem dojdzie do takiego sporu, wiem, że w pokoju jest idiota. Ale wiem również że to mogę być ja… upierając się przy nierzeczywistych wymaganiach.

Trudny wybór

W tym miejscu dochodzimy do wniosków. Niestety, ale od czasu do czasu będziesz musiał dokonać wyboru:

• Możesz się kłócić o normy, w które nie wierzysz (albo i wierzysz) i potencjalnie stracisz Klienta, ponieważ nie będzie on zadowolony z obliczeń (w porównaniu do konkurentów, którzy ignorują przepisy).
• Równie dobrze możesz też zignorować normy… ale jeśli coś pójdzie nie tak, ten „sukces” spadnie na Ciebie. W końcu nie przestrzegałeś zasad przy projektowaniu.

Znam ludzi, którzy muszą podejmować takie decyzje przy dosłownie każdym projekcie. Jest to bardzo stresująca praca. Dlatego staram się wykonywać „bardziej skomplikowane” obliczenia, których normy nie dotyczą! W ten sposób mogę podążać za swoim instynktem i sam określać zasady przy projektowaniu. Dlatego właśnie MES jest taki świetny!

Także dlatego, wiele konstrukcji wokół nas nie spełnia przepisów i norm… a jednak nic się z nimi nie dzieje!

Martwi mnie, a nawet przeraża fakt, że może to powodować problemy w przyszłości:

Im dłużej trwa taka sytuacja, a przepisy stają się bardziej konserwatywne… tym bardziej będą one ignorowane.

Oznacza to, że „jakość” projektów jeszcze bardziej spadnie i po prostu cofniemy się w rozwoju, jeśli chodzi o rozumienie rzeczy. Ostatecznie jeśli poziom bezpieczeństwa konstrukcji byłby 10 razy większy niż wymagany w rzeczywistości, można by „projektować” konstrukcję zgadując bez żadnych obliczeń! Była by nawet spora szansa że się „uda”.

Oznacza to również, że każdego dnia konkurujesz na rynku pracy z ludźmi, którzy nie sprawdzą w projekcie nawet połowy tego, co Ty… Oznacza to, między innymi, że zawsze będą w stanie wykonać robotę taniej! Przekonanie Klienta do zapłacenia „dodatkowych” pieniędzy za „porządny projekt” jest trudne… zwłaszcza, że niewiele konstrukcji w rzeczywistości się wali (niezależnie od tego, jak zostały zaprojektowane)! A jak już się walą to w ramach reakcji podnosi się współczynniki bezpieczeństwa… :/

Prawdę powiedziawszy lekarstwem na to mogłyby być katastrofy budowlane kilku ważnych konstrukcji. Ale jakoś nic się z nimi nie dzieje…

Co możemy z tym zrobić?

Niestety, nie za wiele. Jeśli nie jesteś zaangażowany w tworzenie przepisów i norm, jesteś tylko odbiorcą problemów, które z nich wynikają. Nie wspominając o tym, że gdybym miał „całkowitą władzę” nad normami… nie jestem pewien, czy znalazłbym rozwiązanie tej sytuacji.

Właściwie to w to wątpię.

Wymagałoby to „sensownych” zasad, ale również jakiegoś „brutalnego sposobu” kontroli ich przestrzegania przez projektantów. Sensowne przepisy można ostatecznie wprowadzić, ale egzekwowanie ich jest mało prawdopodobne.

Co sądzisz o całej tej sytuacji? Daj mi znać w komentarzach, ponieważ jest to coś, co nie daje mi spokoju od lat! Chciałbym podyskutować o tym z innymi ludźmi.

Ponadto, jeśli również masz z tym problem, znam na to rozwiązanie. Oczywiście są inne, ale to przetestowałem na sobie! Ucz się MESa! W ten sposób możesz rozwiązywać problemy, które nie podlegają ściśle pod normy i to, samo w sobie, może Ci pomóc. Oczywiście, wymaga to wiedzy, a może nawet i ciągłego uczenia się, ale wierz mi… warto!

Jeśli chciałbyś się czegoś nauczyć to super sprawa. Koniecznie sprawdź mój darmowy kurs ze stateczności i MES (możesz się zapisać poniżej).