Projektowanie konstrukcji centrum danych: Zrozumienie wymagań dotyczących obciążeń użytkowych

autor: Dipl. Ing. Daniel Bacon

W świecie obiektów hiperskalowych oraz o wysokiej gęstości, bezpieczeństwo konstrukcji i planowanie obciążeń stanowią fundament niezawodnego funkcjonowania centrów danych. Podczas gdy systemy chłodzenia, instalacje elektryczne oraz sprzęt IT często znajdują się w centrum uwagi, to właśnie konstrukcja nośna zapewnia, że centrum danych może bezpiecznie przenosić ciężkie szafy serwerowe, trasy kablowe, instalacje podwieszane oraz przyszłe modernizacje.

Zrozumienie wymagań dotyczących obciążeń użytkowych jest jednym z najważniejszych aspektów projektowania każdego centrum danych. Nieprawidłowe założenia mogą prowadzić do przewymiarowanych konstrukcji, kosztownych zmian projektowych lub, co gorsza, zagrożeń dla bezpieczeństwa i ryzyka dla niezawodności pracy obiektu. Ten artykuł wyjaśnia techniczne zasady dotyczące obciążeń użytkowych w centrach danych oraz opisuje, jak inżynierowie konstrukcji, w tym specjaliści z gbc engineers, podchodzą do tego kluczowego elementu planowania na wczesnym etapie projektu.

Czym jest obciążenie użytkowe?

Obciążenie użytkowe to obciążenie zmienne lub ruchome, które może występować, występować częściowo albo w ogóle nie występować w trakcie użytkowania konstrukcji. Inżynierowie upraszczają to, zakładając, że obciążenie jest obecne albo nieobecne na danym obszarze konstrukcji. W centrum danych obciążeniem użytkowym może być szafa serwerowa stojąca na stropie albo rury i kable podwieszone pod stropem.

Obciążenia użytkowe podwieszone pod stropem lub znajdujące się na jego górze – dlaczego ma to znaczenie?

Obciążenia użytkowe podwieszone pod elementem konstrukcyjnym muszą być analizowane inaczej niż obciążenia znajdujące się na jego górze. W przypadku elementów żelbetowych obciążenie działające od spodu musi zostać „podebrane” przez dodatkowe zbrojenie w elemencie betonowym. Chociaż wpływ ten jest zwykle niewielki w typowych przypadkach, jest to kwestia, którą należy uwzględnić, aby zapewnić jasne i precyzyjne określenie wymagań.

Jakie rodzaje obciążeń użytkowych istnieją według Eurokodu i dlaczego ma to znaczenie?

Obciążenia użytkowe dzielą się na różne typy, takie jak obciążenia w budynkach mieszkalnych, biurowych, w obszarach zgromadzeń, w obiektach handlowych, w strefach magazynowych, a także obciążenia od wiatru, śniegu itp. Istnieją zasadniczo dwa główne powody, dla których prawidłowe określenie typu obciążenia użytkowego jest kluczowe dla bezpiecznego i ekonomicznego projektu.

Powód nr 1

Podczas obliczania elementu konstrukcyjnego inżynierowie konstrukcji łączą różne obciążenia użytkowe działające na ten element zgodnie z określonymi zasadami. Zasady te określają prawdopodobieństwo, że dwa lub więcej obciążeń będzie działało jednocześnie z pełną intensywnością.

Na przykład:
Załóżmy, że na dach działa wiatr oraz obciążenie użytkowe (śnieg). Czy jest prawdopodobne, że podczas burzy pełne obciążenie śniegiem również jest obecne na dachu? Odpowiedź brzmi: nie. Obciążenie wiatrem lub śniegiem będzie redukowane, gdy występują jednocześnie, co pozwala na ekonomiczniejsze projektowanie.

Powód nr 2

Wymagania dotyczące ograniczenia ugięć często stanowią dominujące kryterium projektowe i mają tym samym wpływ na ekonomię konstrukcji. Różne rodzaje obciążeń użytkowych oraz ich kombinacje powodują różne wielkości ugięć długoterminowych.

Dlaczego? Wynika to ze specyficznego zachowania elementów żelbetowych (pełzanie i skurcz). Można to porównać do trzymania ciężaru nad głową. Przez krótki czas ciężar można utrzymać wysoko, lecz z czasem ręce zaczynają opadać. W przypadku ugięć długoterminowych kluczowe jest to, jaka część obciążenia użytkowego będzie obecna na konstrukcji w trakcie całego okresu jej użytkowania.

Inżynierowie konstrukcji zakładają, że około 30 procent całkowitego obciążenia użytkowego będzie stale obecne w budynku mieszkalnym, natomiast w obiekcie magazynowym zakłada się, że 80 procent obciążenia będzie działało w sposób ciągły przez cały okres eksploatacji budynku. Oznacza to, że wpływ na ugięcia długoterminowe stropu obciążonego jak w magazynie będzie około 2,7 razy większy niż przy obciążeniu typowym dla budynku mieszkalnego.

Czy obciążenie szafy serwerowej jest równe obciążeniu użytkowemu?

Prosta odpowiedź brzmi: nie. Przy określaniu obciążenia użytkowego konstrukcji odnosi się je zazwyczaj do obciążenia rozłożonego na całą powierzchnię rozpiętości (obszar między słupami lub ścianami). Aby określić to powierzchniowe obciążenie użytkowe, należy zadać sobie pytanie: „Jakie obciążenie użytkowe powierzchniowe, rozłożone na całą rozpiętość, wywołałoby takie same naprężenia w konstrukcji jak rzeczywiste obciążenia od szaf?” Jak widać z tego pytania, układ rozmieszczenia szaf odgrywa rolę w określaniu obciążenia użytkowego. Przyjrzyjmy się poniższemu przykładowi:

Przykład: Wyznaczenie obciążenia użytkowego powierzchniowego dla rozpiętości w centrum danych

Rysunek 1: Układ typowej hali centrum danych

Wyniki

Wnioski

W tym przykładzie obciążenie użytkowe od szaf serwerowych zostało obliczone jako 20,83 kN/m². Jednak porównanie konstrukcyjne pokazuje, że równomierne obciążenie użytkowe o wartości 10,2 kN/m² generuje takie same siły wewnętrzne w systemie stropowym, gdy uwzględni się rzeczywisty układ szaf. Pokazuje to, jak mocno definicja obciążenia użytkowego wpływa zarówno na zachowanie konstrukcji, jak i na ekonomię całego procesu projektowego.

Dlatego precyzyjne określenie wymaganego obciążenia powierzchniowego jest kluczowe. Chociaż w tym przykładzie zastosowano podejście uproszczone, rzeczywiste projekty muszą również uwzględniać przyszłą elastyczność, zmiany sprzętu oraz długoterminowe wymagania eksploatacyjne.

gbc engineers wspiera inwestorów centrów danych, stosując precyzyjną metodologię analizy konstrukcyjnej, która przekształca rzeczywiste układy szaf w wiarygodne obciążenia projektowe. Zapewnia to zoptymalizowane koszty budowy, lepszą pracę konstrukcji i długoterminową odporność, które są kluczowymi czynnikami dla każdego centrum danych o wysokiej gęstości lub w skali hiperskalowej.