Projekty a granty

Experimentální ověření výpočtu Form Finding a Cutting Pattern vybrané membránové konstrukce

SP2021/80

ROZBOR STAVU PROBLEMATIKY VE SVĚTĚ A V ČR Membránové konstrukce jsou velmi specifickým a moderním typem konstrukcí využívající se pro zastřešení dočasných i trvalých staveb. Charakteristika membránových konstrukcí spočívá v jejich možných expresivních tvarech, nízké hmotnosti i schopnosti efektivního využití materiálu při návrhu [1]. V důsledku absence ohybové tuhosti je návrh takové konstrukce úzce spjatý s nalezením optimálního tvaru. Membránové konstrukce využívají pro zastřešení speciální materiály z tkanin nebo fólií tkané ve dvou směrech. Z těchto materiálů jsou vytvářeny střihy, které se spojují svary a po vnesení počátečního předpětí do finální podoby konstrukce jsou schopny přenášet tahová zatížení. Určení střihových vzorů je velmi citlivým krokem a jeho kvalita silně závisí na kvalitě celé konstrukce. Tvar jednotlivých střihových částí závisí na tvaru samotné konstrukce [2]. Tvary membránových konstrukcí lze základně rozdělit na hyperbolický paraboloid, kužel a sedlo. Tyto tvary byly v předchozím výzkumu numericky modelovány a byla pro ně stanovena obecná doporučení týkající se návrhu [3, 4, 5]. Při určování střihových tvarů je třeba brát v úvahu i směr dané textilie. Z důvodu hospodárnosti a zabránění krčení textilie jsou nejvhodnější geodetické řezy [4]. Rozsah střihových částí omezuje flexibilita materiálu a velikost počátečního předpětí. V současné době jsou pro určení střihových vzorů v rámci numerického modelování využívány různé přístupy. Výzkum v této oblasti vede ke zvýšení efektivnost návrhu membránových konstrukcí z ekonomického i funkčního hlediska. Bohužel doposud nebyla vytvořena žádná světově uznávaná norma pro návrh membránových konstrukcí. Vzhledem ke vzrůstající oblibě těchto konstrukcí je bádání vedoucí k optimalizaci návrhu střihových vzorů velmi diskutovaným tématem [6, 7, 8, 9]. Při správném navržení střihových vzorů lze snížit ekonomické náklady na materiál a zvýšit schopnost přenášet požadované zatížení po realizaci membránové konstrukce. V rámci tohoto projektu budou vytvořeny numerické modely pomocí výpočetního softwaru RFEM a přídavného modulu RF-CUTTING‑PATTERN, který umožňuje vytvářet střihové vzory pro membránové konstrukce. Budou porovnány rovinné a geodetické řezy linií daného tvaru konstrukce tak, aby výsledný návrh byl co nejefektivnější. Pro numerické modelování je záměrně využit výpočetní software RFEM, který je pro návrh membránových konstrukcí a střihových vzorů díky svým přídavným modulům (RF-FORM-FINDING a RF-CUTTING-PATTERN) prokazatelně použitelný. Příprava numerických modelů v obecnějších softwarech (např. Ansys) by zahrnovala mnohem složitější postupy a není zcela jasné, zda by byly pro daný úkol vhodné. Katedra stavební mechaniky navíc v loňském roce zakoupila dlouhodobé licence softwaru RFEM, na rozdíl od ekonomicky náročnějšího software Ansys, kde je licence závislá na celoškolském využití. Výstupy z tohoto projektu využijí a ověří předchozí výsledky týkající se doporučení pro návrh základních tvarů a budou sloužit při návrhu realizace jednoduchého membránového zastřešení zkušebního standu na pozemku venkovního areálu VŠB – Technické univerzita Ostrava. Zkušební stand slouží pro statickou zatěžovací zkoušku pro vědeckovýzkumné účely v oblasti geotechniky, zakládaní staveb a interakce základů s podložím. Na dvou podélných základových patkách, kotvených do podloží pomocí mikropilot jsou příčně uloženy 2 rámy z válcovaných profilů HEB, které slouží jako podpora zařízení, přitlačují model základu do podloží, čímž dochází pomocí instalovaných snímačů k získání dat potřebných pro vědecko-výzkumné experimenty. Tato konstrukce však není nijak zastřešena a je přímo vystavena účinkům větru, deště a sněhu. Zastřešení by přispělo k delší trvanlivosti konstrukce a ochraně před nepříznivými vlivy počasí. Dalším přínosem je následná možnost dlouhodobého zkoumání chování membránové konstrukce. Projekt úzce souvisí s tématem disertační práce řešitele, která se zabývá tématem s názvem "Numerické modelování membránových konstrukcí". Literatura [1] FREIHERROVÁ, Nela a Martin KREJSA. Membrane Structures and Their Use in Civil Engineering. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series. 18(2), 2018. DOI: 10.31490/tces-2018-0008. [2] RIVERA, Romualdo. Membrane Structures: First Steps Towards Form Finding. Membranas Estructurales, 2014. ISBN 9780986324710. [3] FREIHERROVÁ, Nela. Deformation-stress Analysis of Membrane Structure in Shape of Hyperbolic Paraboloid. XIX. Scientific Conference for Civil Engineering PhD Students. Ustroň, Polsko, 16.-17. květen 2019. Session 3 - Theory of Structures and Structural Mechanics [4] FREIHERROVÁ, Nela a Martin KREJSA. Stress Analysis of Basic Shapes of Membrane Structures. 17th International Conference Modelling in Mechanics, Ostrava [5] FREIHERROVA, N., KREJSA, M. and M. HORNAKOVA, Stress analysis of membrane structure in shape of cone. MATEC Web of Conferences,2020, 310. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/202031000011 [6] R. RANCIC, Svetozar, Milan LJ. ZLATANOVIC a Nikola M. VELIMIROVIC. Cutting Patterns of Membrane Structures. Filomat. 2015, 651–660. Dostupné z: doi:10.2298/FIL1503651R [7] UDLER, Evgeniy a Evgeniy TOLSTOV. Cutting pattern of a fabric for architectural hypar. Materials Science and Engineering. 2020, (890). Dostupné z: doi:10.1088/1757-899X/890/1/012077 [8] GOLDBACH, Ann-Kathrin, Michael BREITENBERGER, Armin WIDHAMMER a Kai-Uwe BLETZINGER. Computational Cutting Pattern Generation using Isogeometric B-Rep Analysis. Procedia Engineering. 2015(155), 249 – 255. Dostupné z: doi:10.1016/j.proeng.2016.08.026 [9] GALE, Stuart a Wanda J. LEWIS. Patterning of tensile fabric structures with a discrete element model using dynamic relaxation. Computers and Structures. 2016(169), 112-121. Dostupné z: doi:10.1016/j.compstruc.2016.03.005 [10] YANG, Yan, Qian SHENG-SHEN a Gong JING-HAI. A new patterning technique of membrane structures for minimizing deviations of stress and shape. Thin-Walled Structures. 2020(151). PŘEHLED POUŽITÝCH METOD • United Refrence Strategy – URS -numerická metoda pro zjištění rovnovážného stavu a počátečního tvaru modelované membránové konstrukce, kterou využívá výpočetní software RFEM v rámci modulu Form – Finding. • Form – Finding - Metoda pro stanovení rovnovážného tvaru navrhované membránové konstrukce se zohledněním zadaného předpětí a okrajových podmínek. HARMONOGRAM PRACÍ: leden – březen: příprava výzkumu, rešerše v oblasti střihových vzorů, příprava numerických modelů duben – květen: návrh optimálního tvaru membránové konstrukce pro zastřešení zkušebního standu květen – účast na konferenci Modelování v mechanice 2021 červen – srpen: návrh a porovnání střihových vzorů pro danou membránovou konstrukcí září – říjen: realizace střihového vzoru listopad: příprava článku Jimp do časopisu Periodica Polytechnica Civil Engineering, jazykové korektury, recenzní řízení ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. Nela Freiherrová - rešerše odborné literatury a vědeckých článků s tématikou střihových vzorů membránových konstrukcí, - analýza vhodných tvarů předcházející numerickému modelování, - numerické modelování navržených tvarů membránového zastřešení zkušebního standu, - vyhodnocení nejvhodnějšího tvaru membránové konstrukce, - návrh a porovnání různých typů střihových vzorů, - vyhodnocení vhodného střihového vzoru na základě numerických modelů, - vypracování článků pro konferenci (Modelování v mechanice 2021) a recenzovaný časopis (článek Jimp), - účast na konferenci. - (cca 9h/týdně) Ing. Marie Horňáková - rešerše odborné literatury a vědeckých článků zaměřených na membránové konstrukce, - vyhodnocení nejvhodnějšího tvaru membránové konstrukce na základě vypočtených dat, - pomoc s přípravou a kontrola článků pro konferenci (Modelování v mechanice 2021) a recenzovaný časopis (článek Jimp). - (cca 3h/týdně) Ing. Marek Kawulok - rešerše odborné literatury a vědeckých článků zaměřených na membránové konstrukce, - pomoc pří tvorbě numerických modelů pro návrh membránového zastřešení zkušebního standu, - vyhodnocení vhodného střihového vzoru na základě numerických modelů, - (cca 2,5h/týdně) Rozpočet – zdůvodnění jednotlivých položek • Stipendia: 70 000 Kč - Ing. Nela Freiherrová 30 000 Kč - Ing. Marie Horňáková 25 000 Kč – Ing. Marek Kawulok • Materiálové náklady 15 000 Kč – nákup membránové textilie pro výrobu střihového vzoru 13 350 Kč – technické vybavení pro výkonnější PC (z důvodu numerické modelování), • Drobný hmotný a nehmotný majetek 1 000 Kč – externí úložiště pro zálohu dat • Služby 20 000 Kč –výroba zkušebního vzorku podle vytvořeného střihového vzoru (bude řešeno se specializovanou firmou, která bude vybrána na základě výběrového řízení) 4 000 Kč – vložné na konferenci Modelování v mechanice 2021 (Freiherrová) 3 000 – Jazykové korektury pro článek Jimp

2021

2021

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Freiherrová Nela Ing.