Projekty a granty

Testování textilních materiálů používaných pro membránové konstrukce

SP2020/102

ROZBOR STAVU PROBLEMATIKY VE SVĚTĚ A V ČR Membránové konstrukce se v poslední době čím dál více navrhují pro zastřešení doplňkových, ale i trvalých staveb. Díky použití membrán lze dosáhnout velmi nízké hmotnosti samotné konstrukce, tvarové variability, estetické vzdušnosti i velkého rozpětí. Další výhodou bývají malé nároky na výrobu i montáž. Součástí nosné konstrukce jsou textilní materiály, do kterých je mechanicky vnášeno počáteční předpjetí. Tyto textilie se vyrábí tkaním ve směru osnovy a útku, což má za následek i rozdílné materiálové vlastnosti ve dvou směrech. Návrh membránových konstrukcí vyžaduje přesnou znalost materiálových charakteristik a k zjišťování vlastností materiálů se využívají tzv. biaxiální testy [1]. Z experimentálně naměřených dat a matice poddajnosti pro ortotropní materiál lze následně získat potřebné materiálové charakteristiky. Testování probíhá na křížových vzorcích, které se upnou do biaxiálního tahového zařízení. Do obou směrů jsou cyklicky vnášeny předem určené poměry zatížení a pomocí tensometrů je snímáno protažení materiálu. Výsledkem jsou pracovní diagramy závislosti napětí a poměrného přetvoření, které slouží k určení materiálových parametrů – modulu pružnosti E a Poissonovy konstanty ν [2]. Materiálové vlastnosti získané z biaxiálních testů silně závisí jak na metodice testování, tak na následném zpracování a vyhodnocení experimentálních dat. Doposud provedené biaxiální testy textilních materiálů se liší v závislosti na zvoleném postupu výzkumného pracoviště [2, 3, 4, 5, 6, 7]. V experimentu prováděném v Bruselu [2, 3] byl zkoumán vliv aplikovaných zatěžovacích poměrů, byl také zkoumán různý počet cyklů pro zatěžovací poměry [3] nebo bylo zatěžování řízeno předem stanovenou hodnotou poměrného přetvoření [4]. Výsledky provedených experimentů ukazují velké rozdíly v získaných hodnotách materiálových konstant. Odvozené materiálové charakteristiky velmi závisí na zvoleném postupu testování a předem stanovených zatěžovacích poměrech. V současné době existuje pouze jediná norma, pocházející z Japonska [8], která je často považována za výchozí při stanovení postupu testování. Světově uznávaná norma v současné době ale neexistuje. Přesnost materiálových modelů velmi ovlivňuje návrh membránových konstrukcí při jejich numerickém modelování. Přesto, že se tkaniny vyznačují nelineárním a anizotropním chováním, jsou používané materiálové modely často zjednodušené. Zpřesněním materiálových modelů lze tedy docílit efektivnějšího návrhu membránové konstrukce a využití plného potenciálu daného materiálu. Vzhledem ke stoupající oblibě použití membránových konstrukcí a absenci normy je v této oblasti nezbytný podrobný výzkum, který pomůže ucelit testovací postupy při zjišťování materiálových charakteristik. LITERATURA A ZDROJE 1. FORSTER, Brian a Marijke MOLLAERT. European Design Guide for Tensile Surface Structures. TensiNet, 2004. ISBN 90 8086 871 x. 2. VAN CRAENENBROECK, Maarten, Silke PUYSTIENS, Danny VAN HEMELRIJCK a Marijke MOLLAERT. Biaxial testing of fabric materials and deriving their material properties – A quantitative study. Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures. Amsterodam, 2015. 3. VAN CRAENENBROECK, Maarten, Mollaert MARIJKE a Lars DE LAET. The influence of test conditions and mathematical assumptions on biaxial material parameters of fabrics. Engineering Structures. 2019, 200(1). DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.109691. 4. BECCARELLI, Paolo, COLSANTE, Giada, NOVATI, Giorgio, STIMPFLE, B. and Alessandra ZANELLI. Strain-controlled biaxial tests of coated fabric membranes 2013. 5. UHLEMANN, Jörg a Natalie STRANGHÖNER. Refined Biaxial Test Procedures for the Determination of Design Elastic Constants of Architectural Fabrics. Procedia Engineering. 2016, 155, 211-219. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.022 6. AMBROZIAK, Andrzej. Mechanical properties of Precontraint 1202S coated fabric under biaxial tensile test with different load ratios. Construction and Building Materials. Elsevier, 2015, 80, 210-224. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.01.074 7. GALLIOT, Cedric and Rolf H. LUSHINGER. Determination of the response of coated fabrics under biaxial stress: Comparison between different test procedures. Proceedings of Structural Membranes 2011, Barcelona, 2011. 8. Membrane Structures Association of Japan, Testing Method for Elastic Constants of Membrane Materials (MSAJ M-02-1995), 1995. PŘEHLED POUŽITÝCH METOD Jednoosé tahové zkoušky - 3 testy pro 3 typy obdélníkových vzorků ve směru osnovy a útku dle [1] pomocí zařízení pro kvazistatické tahové zkoušky Zwick/ROELL Z150 dostupném v centru CPIT VŠB TUO - pomocí tensometrů budou snímány deformace a napětí vznikající ve vzorcích - výsledkem budou pevnosti v tahu (tzv. UTS – Uniaxial tensile strenght) pro oba směry tkaní. Dvouosé tahové zkoušky - Testování 3 typů křížových vzorků v intervalu 2,5% UTS – 25% UTS dle [1]. Pro každý vzorek budou provedeny 3 testy pomocí zařízení pro kvazistatické tahové zkoušky Zwick/ROELL Z150 dostupném v centru CPIT VŠB TUO, pro které budou vyrobeny speciální čelisti tak, aby bylo možné nasimulovat dvojosé namáhání. - Křížový vzorek se předepne na jednoosém tahovém zařízení pomocí vložené síly/deformace ve směru osnovy (útku) a s použitím vyvinutých čelistí se do textilie vnese síla/deformace i ve směru útku (osnovy). - Pomocí tensometrů budou snímány deformace a napětí vznikající ve vzorcích - Dalším krokem je simulace cyklického namáhání, které je nezbytné pro zjištění materiálových charakteristik. Na základě měření se stanoví pracovní diagramy zobrazující závislost napětí a poměrného přetvoření, které slouží pro odvození modulu pružnosti (Ex, Ey) a Poissonovy konstanty (νx, νy). 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 HARMONOGRAM PRACÍ leden – únor: příprava výzkumu, rešerše literatury, obstarání vzorků zkoumaných materiálů březen – duben: jednoosé tahové zkoušky – 3 zkoušky pro 3 typy vzorků testované ve 2 směrech (18 zkoušek) a vyhodnocení laboratorního měření, duben: účast na konferenci CUTE 2020 květen - červen: úprava jednoosého tahového zařízení pro testování a simulace biaxiálního namáhání – 3 biaxiální zkoušky pro 3 typy vzorků (9 zkoušek) a vyhodnocení laboratorního měření, červen – červenec: příprava článku pro konferenci ICNAAM 2020, Řecko, září: účast na konferenci ICNAAM 2020, Řecko (příspěvek D), listopad-prosinec: zaslání příspěvku do časopisu Periodica Polytechnica Civil Engineering. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. Nela Freiherrová – příprava vzorků, laboratorní měření, sepsaní článků, výjezd na konferenci (cca 5 h/týdně). Ing. Marie Horňáková – pomoc s vyhodnocením výsledků, příprava a kontrola článků FINANCE Stipendia: 50 000 Kč – Ing. Nela Freiherrová Materiálové náklady: 20 000 Kč – vzorky testovaných membránových textilií 24 000 Kč – technické vybavení pro úpravu přístroje při biaxiální testy Služby 8 500 Kč – vložné na konferenci ICNAAM 2020 (Freiherrová) 3 000 Kč – vložné na konferenci CUTE 2020 5 000 Kč – laboratorní měření v centru CPIT VŠB TUO (centrum pokročilých inovačních technologií) 3 000 Kč – jazykové korektury pro článek Jimp Cestovní náhrady 19 000 Kč – cestovní náklady, ubytování, stravné a diety na konferenci ICNAAM 2020 (Freiherrová) 2 500 Kč – cestovní náklady na VUT v Brně pro převoz vzorků

2020

2020

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Freiherrová Nela Ing.