Projekty a granty

Numerické modelování ocelových nosníků s ohledem na jejich optimalizaci chování

SP2015/94

Rozbor stavu problematiky: Problematika návrhu a analýzy moderních ocelových konstrukcí je často spojena s řešením chování konstrukčních detailů, kde dochází ke koncentraci napětí v oblastech působení lokálních břemen nebo v místě oslabení průřezů. V těchto případech se standardní návrhové postupy a analýzy musí doplnit o konstrukční optimalizaci. Tyto analýzy nejčastěji zahrnují zohlednění fyzikální [1], geometrické [2] nebo konstrukční nelinearity a prostorové výpočetní modely. Řešení této problematiky umožňuje celou řadu přístupů, kdy je vždy nutné zohlednit skutečný řešený konstrukční problém [3]. Pro vybrané typy konstrukčních řešení existují také provedené experimenty [4], ale ty často nejde zobecnit pro další varianty výpočtu (oslabený průřez, vyztužený průřez, atd.). Často se také využívá při analýzách zjednodušení u materiálových a výpočetních modelů (1D a 2D), používají se kombinované výpočetní modely (sub-modely) [5] nebo se některé jevy zanedbávají. Pro hlubší pochopení dané problematiky chování konstrukčních detailů a volbu optimálního konstrukčního řešení je však vhodné se zaměřit nejen na jeden typ konstrukčního řešení jako u řady projektů (např. uved. článků), ale zabývat se postupně chováním ocelových nosníků bez úprav, s vyztuženým průřezem nebo oslabeným průřezem. Touto oblastí výzkumu se zabývá předložený projekt, který se chce zaměřit na provedení a vyhodnocení experimentů v laboratořích FAST a následně provedením numerických analýz s využitím prostorových výpočetních a materiálových modelů. K výpočtům se může využít například programů (ANSYS, ABAQUS), kdy jejich použití je, ale v řadě specializovaných úloh neefektivní, příliš náročné nebo nerealizovatelné s ohledem na uzavřený zdrojový kód a komerční charakter. Z těchto důvodů je vhodné využívat vlastní výpočetní programy [10], které jsou založeny na programu Matlab nebo podobném vývojovém prostředí. Při samotném návrhu a hledání optimálního konstrukčního řešení je také vhodné do výpočtu zahrnout a zohlednit skutečný charakter vstupních dat: různé pevnosti nebo homogenitu materiálu [6]. Z uvedených informací vyplývá prostor k výzkumnému úkolu, kdy předmětem a náplní projektu bude provedení laboratorních zkoušek uceleného souboru válcovaných nosníků s profilem bez výztuhy, s výztuhou nebo oslabených profilů. Provedené zkoušky následně umožní provedení srovnávacích studií chování nosníků a vytvoření výpočetního nástroje zohledňující použití prostorových výpočetních modelů (3D), nelineárních materiálových modelů oceli, konstrukční nelinearity, fyzikální nelinearity a vlivu náhodných vstupních dat. Mezi důležité aspekty řešení projektu patří, že s ohledem na náročnost uvedeného tématu, se už studentům povedlo publikovat dosavadní dílčí přístupy k modelování nosníků a použití metody konečných prvků v časopisech (SCOPUS, Sborník FAST), kdy ty jsou již výchozím stavem pro řešení předloženého projektu. Rovněž v rámci ověřovacích zkoušek řešitel ověřil u válcovaných nosníků bez oslabení proveditelnost zkoušek v rámci laboratoří FAST, kdy u zkoušek se vyhodnotila celková únosnost i celý zatěžovací diagram pro nelineární analýzu. (Vzorky hradil řešitel v rámci ověření řešitelnosti a přípravy projektu.) Zdroje: [1] Borst, R., Crisfield, M. ed. Nichtlineare Finite-Elemente-Analyse von Festkörpern und Strukturen, 2014, Berlin. Ernst und Sohn. ISBN 978-3-527-33660-9. [2]Roth, O., Ravinger, J., Nonlinear interactive buckling solved by FEM. In Proceedings of the 2nd International Conference on Computational Structures Technology. Part 1 (of 4); Athens, Greece; Civil-Comp Limited,Edinburgh, United Kingdom. 1994. [3] Seung-Eock K. Dong-Ho L., Second-order distributed plasticity analysis of space steel frames. Engineering Structures 24 (2002) 735–744. [4] Avery, P., Mahendran M., Large-scale testing of steel frame structures comprising noncompact sections. Engineering Structures 22 (2000) 920–936. [5] Sreenath S., Saravanan U., Kalyanaraman, V. Beam and shell element model for advanced analysis of steel structural members. Journal of Constructional Steel Research 67 (2011) 1789–1796. doi:10.1016/j.jcsr.2011.05.003 [6] Vrouwenvelder, T. The JCSS probabilistic model code. Structural Safety. Vol. 19, Issue 3, pp. 245-251 (7 p). ISSN 0167-4730, 1997. Řešitelský kolektiv: Bc. Jakub Vašek student navazujícího magisterského oboru (5. ročník), publikace 1x Jsc a 2xD (čeká se na zařazení do SCOPUSu), Výsledky práce budou součásti jeho Diplomové práce na téma: Numerické modelování chování ocelových nosníků (pracovní název, zadaní dip. prací se ještě neschvalovala), aktivně programuje v Matlabu, pracuje v programech: Scia, ANSYS, ocenění: 3. místo SVOČ, cena za VaV rektora pro studenty mag. studia 2014, plánuje pokračovat v doktorském studiu. Bc. Jan Kubošek student navazujícího magisterského oboru (5. ročník), publikace 1x Jsc, 1xD a 1xD (čeká se na zařazení do SCOPUSu), Výsledky práce budou součásti jeho Diplomové práce na téma: Nelineární analýza konstrukcí (pracovní název, zadaní dip. prací se ještě neschvalovala), aktivně programuje v Matlabu, pracuje v programech: Scia, ATENA, GiD, plánuje pokračovat v doktorském studiu. Ing. Bc. Oldřich Sucharda, Ph.D., DiS. řešitel projektu, vedoucí obou diplomových prací, Author SCOPUS ID: 54960953200 Výsledky výzkumu a publikace: 4xJsc, 14xD (11xScopus, 3xWoS), h-index (SCOPUS) 3, h-index (WoS) 1, 8x český recenzovaný časopis, 3x software, 3x funkční vzorek, více než 50 konf. příspěvků [7] Vasek, J., Sucharda, O. Document Numerical analysis of gravity and parabolic catenaries (Article). International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, Vol. 8, Iss. 1, pp. 156-164. [8] Vašek, J., Krejsa, M. Probabilistic Reliability Assessment of Truss Construction in Matlab Software Platform. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series.. Vol. 4, Iss. 1, pp. 100–109, DOI: 10.2478/tvsb-2014-0013, July 2014. [9] Sucharda, O., Kubosek, J. Numerical analysing the slabs by means of the finite difference method and the finite element method (Article). International Journal of Mechanics. Vol. 8, Iss. 1, 2014, Pages 167-175 [10] Sucharda, O., Vasek, J., Mikolasek, D. Finite Element Analysis of Beam from Rolled IPN 160. In The 4th International Conference on Green Building, Materials and Civil Engineering. 2014. AMM (SCOPUS, čeká se na publikování) Studenti Bc. Jakub Vašek a Bc. Jan Kubošek nebyli doposud řešitelé ani spoluřešitele projektů SGS. Přehled použitých metod: Provádění experimentů [100 hod] – zahrnuje provedení 20 zkoušek, které budou zahrnovat tři série (6x nevyztužený profil, 6x vyztužený profil, 6x oslabený profil) a doplňkové zkoušky pro určení pevnosti materiálu. Vychází se z dostupných možností laboratorního vybavení FAST. Počty zkoušek jsou voleny s ohledem na následující využití při stochastickém modelování. Počty zkoušek také zahrnují vzorky pro odladění testování - 2x vzorek. (Vašek) Modelování úloh [60 hod]– tvorba výpočetních modelů, síťování modelů (různé konečné prvky), (Kubošek), modelovaní okrajových podmínek (studie vlivu okrajových podmínek), (Vašek), apod. Vývoj výpočetního programu a odvození teorie [120 hod] - programování v prostředí Matlab, odvození teorie pro vyvíjený software. (Vašek, Kubošek) Konečné prvky (Vašek, Kubošek), materiálový model oceli (Vašek), geometrická nelinearita (Vašek), Tvorba prostředí GUI (Kubošek), optimalizace (Kubošek), solver (Kubošek), pravděpodobnostní modul (Vašek) Konzultace [20 hod]– s ohledem na navázanou spolupráci s Dr.h.c. prof. Ing. Jánem Ravingerem, DrSc. jsou domluvené konzultace (bez nároku na honorář) na STU v Bratislavě v oblasti geometrické nelinearity, kdy prof. Ravinger patři mezi odborníky s řadou programátorských zkušeností, publikoval řadu imp. článků apod. Výpočty a analýza zkoušek [120 hod] Vyhodnocení zkoušek a jejich výpočty ve vyvíjeném programu a komerčním softwaru (ANSYS, SCIA, ATENA) (Kubošek, Vašek) Prezentace výsledků Pro prezentaci výsledku jsou zvoleny konference organizované význačnými odborníky (např. prof. Zio, prof. Aliabadi, prof. Topping), kdy organizátoři jsou také editory impaktovaných časopisů. Harmonogram: 01-06/2015 Modelování úloh 03-09/2015 Vývoj výpočetního programu a odvození teorie 03-06/2015 Provádění zkoušek 06-09/2015 Výpočty a analýza zkoušek 01-12/2015 Prezentace výsledků - průběžně (průběh konference září, říjen) 11-12/2015 Závěrečná zpráva

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Sucharda Oldřich doc. Ing. Bc., Ph.D.