Projektowanie konstrukcji centrum danych: Zrozumienie wymagań dotyczących obciążeń użytkowych

autor: Dipl. Ing. Daniel Bacon Linked In

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 zmienne lub ruchome obciążenie, które może występować, występować częściowo albo w ogóle nie występować w trakcie użytkowania konstrukcji. Inżynierowie upraszczają tę definicję, zakładając, że obciążenie jest obecne albo nieobecne na danym obszarze konstrukcji. Obciążeniem użytkowym w centrum danych może być szafa serwerowa stojąca na stropie lub 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 ustawione na jego górze. W przypadku elementów żelbetowych obciążenie działające od spodu musi zostać „podebrane” przez dodatkowe zbrojenie w elemencie betonowym. Choć wpływ ten jest zazwyczaj niewielki w standardowych sytuacjach, jest to kwestia, którą należy uwzględnić, aby zapewnić jasne i precyzyjne zdefiniowanie wymagań.

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

Powód nr 1: Kombinacje obciążeń podlegają zasadom prawdopodobieństwa

Kiedy inżynierowie konstrukcji projektują strop, belkę lub element dachu, muszą łączyć różne obciążenia użytkowe zgodnie z zasadami kombinacji określonymi w Eurokodzie. Zasady te odzwierciedlają prawdopodobieństwo, że dwa lub więcej obciążeń będzie działać jednocześnie z pełną intensywnością.

Na przykład:

Rozważmy dach narażony zarówno na obciążenie śniegiem, jak i wiatrem. Podczas silnego wiatru (warunki sztormowe) jest niezwykle mało prawdopodobne, aby jednocześnie wystąpiło pełne obciążenie śniegiem.

Z tego powodu Eurokod dopuszcza redukcję obciążenia śniegiem lub wiatrem, gdy występują razem. Prowadzi to do bardziej efektywnego projektowania konstrukcji bez obniżenia poziomu bezpieczeństwa, ponieważ kombinacja obciążeń lepiej odzwierciedla rzeczywiste zachowanie konstrukcji.

Powód nr 2: Ugięcia długoterminowe zależą od kategorii obciążenia użytkowego

Wymagania dotyczące ograniczenia ugięć są często jednym z najważniejszych kryteriów projektowych w konstrukcjach żelbetowych i mają bezpośredni wpływ na koszty konstrukcji. Różne kategorie obciążeń użytkowych oraz kombinacje obciążeń prowadzą do bardzo zróżnicowanych poziomów ugięć długoterminowych.

Dlaczego tak się dzieje?

Dzieje się tak dlatego, że żelbet zachowuje się inaczej w czasie z powodu pełzania i skurczu. Proste porównanie pomaga to wyjaśnić: wyobraź sobie, że trzymasz ciężar nad głową. Początkowo Twoje ramiona pozostają proste, ale z czasem zaczynają powoli opadać. Beton zachowuje się w taki sam sposób. Ugięcie długoterminowe zależy od tego, jaka część obciążenia będzie działała na konstrukcję przez cały okres jej użytkowania.

Z tego względu inżynierowie konstrukcji szacują trwałą część obciążenia użytkowego:

• W budynku mieszkalnym zakłada się, że tylko około 30 procent obciążenia użytkowego pozostaje długoterminowo.
• W środowisku magazynowym przyjmuje się, że około 80 procent obciążenia działa nieprzerwanie.

Ta różnica ma ogromny wpływ na pracę stropu. Strop żelbetowy obciążony według scenariusza magazynowego może wykazywać około 2.7 razy większe ugięcie długoterminowe w porównaniu do tego samego stropu projektowanego według założeń obciążeń mieszkalnych.

Dla centrów danych, które funkcjonują bardziej jak środowiska magazynowe o dużym obciążeniu ze względu na gęste rozmieszczenie szaf serwerowych, wybór właściwej kategorii obciążenia użytkowego jest kluczowy, aby zapewnić bezpieczną, ekonomiczną i przewidywalną pracę konstrukcji.

Czy obciążenie szafy serwerowej jest równe obciążeniu użytkowemu?

Krótka odpowiedź brzmi: nie.

Kiedy inżynierowie konstrukcji mówią o obciążeniu użytkowym na podłodze centrum danych, zazwyczaj mają na myśli równomiernie rozłożone obciążenie powierzchniowe działające na całą rozpiętość, czyli obszar między słupami lub ścianami, a nie tylko ciężar pojedynczej szafy serwerowej.

Aby określić równoważne obciążenie powierzchniowe, zadaje się kluczowe pytanie:

„Jakie równomiernie rozłożone obciążenie powierzchniowe, przyłożone na całą rozpiętość, wywołuje takie same siły wewnętrzne w konstrukcji jak rzeczywiste obciążenia od szaf oraz ich rozmieszczenie?”

Oznacza to, że rozmieszczenie szaf, ich rozstaw, szerokości alejek, układ pojedynczych lub podwójnych rzędów oraz konfiguracja gorących i zimnych alejek bezpośrednio wpływają na wynikowe projektowe obciążenie użytkowe. Dlatego dwie hale danych o identycznych ciężarach szaf, lecz różnym układzie przestrzennym, mogą wymagać różnych obciążeń powierzchniowych w projekcie konstrukcyjnym.

W kolejnym przykładzie pokazano, jak skoncentrowane obciążenie od szafy serwerowej można przeliczyć na równoważne równomierne obciążenie użytkowe dla typowej rozpiętości w centrum danych.

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.