Projekty a granty

Experimentální analýza kulového absorbéru vibrací stavebních konstrukcí

SP2023/059

ROZBOR PROBLEMATIKY V ČR A VE SVĚTĚ: Mechanické vibrace patří mezi významné vnější vlivy, kterým jsou stavební konstrukce vystavovány. Důsledkem kmitání může dojít k poškození nosné konstrukce, či ke vzniku nebezpečí a nepohodlí při jejím užívání. Zdroje vibrací můžeme dělit do dvou kategorii dle původu na technické a přírodní [1]. K omezení negativního dopadu jsou konstrukce doplňovány tlumícími členy. Absorbéry, které ke svému provozu nevyžadují elektrickou energii a jejich nastavení nelze upravovat v reálném čase, se nazývají pasivní a jsou v oboru stavebních konstrukcí nejrozšířenější. Mezi pasivní pohlcovače kmitů patří tlumiče s vyladěnou hmotou (tuned mass dampers – TMD). Jde o mechanické zařízení disipující energii z vnějších zdrojů a redukující odezvu konstrukce [2]. Zástupcem tlumičů s vyladěnou hmotou je kulový absorbér vibrací. Tlumič tohoto typu se skládá ze sestavy podpůrného konvexního kulového vrchlíku a vnitřní koule. Výhodou tohoto typu tlumiče je široký rozsah frekvencí, na které lze tlumič naladit nastavením poloměru zakřivení povrchu, průměru koule a hmotnosti koule. Ačkoli se může zdát, že systém je podobný kyvadlu, jehož okrajové podmínky jsou pouze holonomní, v případě kulového absorbéru jsou okrajové podmínky také funkcemi derivací polohy (rychlosti). Soustava s těmito okrajovými podmínkami se nazývá neholonomní. První publikace s touto tématikou publikoval Pirner [3-4]. Ve svých publikacích poukazují na pohybové nestability, bifurkace a obtíže spojené s autoparametrickými oscilacemi. Přitom uvádějí, že zvýšená účinnost absorbéru v důsledku vyšších energetických ztrát může vést ke vzniku chaotických zón v určitých frekvenčních pásmech. Chaotické zóny jsou vyvolány nelineární povahou systému s nejednoznačně vymezenými oblastmi. U resonančních křivek harmonicky buzeného absorbéru byl identifikován vliv nelinearit pro zvyšující se amplitudy budící síly. Toto změkčování (softening) rezonančních křivek byl odhalen i v provedených simulacích při řešení minulého projektu navrhovatele. V tomto projektu byly provedeny numerická řešení řídících diferenciálních rovnic pro případ planárního pohybu koule. Vytvořené numerické modely je však nutno experimentálně ověřit. Navrhovaný projekt je zaměřen na provedení experimentální studie chování kulového absorbéru. Nejnovější publikace věnovaná tomuto tématu byla vydána v roce 2022. Článek [5] zkoumá vliv kulového absorbéru na mechanické vlastnosti konstrukce a jak ovlivňuje odezvu konstrukce. V experimentální části se autoři zaměřili na planární model kulového absorbéru vystaveného volným vibracím, harmonickému buzení a buzení seismickým záznamem. Výsledkem experimentu jsou hodnoty poměrného tlumení pro soustavu s jedním a mnoha stupni volnosti. Zkoumán je i vliv poměru hmotnosti koule a konstrukce, frekvence budící síly. Pro harmonické buzení je měřen posun podpůrné konstrukce pro několik zvolených budících frekvencí. Dosažené výsledky byly porovnány s kulovým absorbérem na bázi bušení (pounding mechanisms) jenž byl umístěn na vodorovné ploše. V článku však není monitorován pohyb koule a chybí vytvoření rezonančních křivek pro větší množství budících frekvencí a rozdílné hodnoty amplitud. Není jasné, jak se zvyšující amplituda síly projeví na tvaru rezonančních křivek. Budící frekvence jsou rovněž zvoleny pouze v malém rozsahu. Výzkumný tým rovněž v publikaci [6] představil kulový absorbér s bušením (pounding tuned rotary mass damper), který je valen obloukové ploše. Mezi další publikované články obsahující experimentální analýzu patří [7]. Zde byla zkoumána účinnost kulového absorbéru pro aplikaci ve větrných turbínách. Experimenty prováděné autorským týmem byly zaměřeny na monitorování změn v odezvě konstrukce po implementaci různého počtu koulí do absorbéru. Experiment nebyl zaměřen na chování koule. Experimentální měření kulového absorbéru položeného na konvexním kulovém vrchlíku je popsán v publikaci [8]. Zde je zkoumána odezva absorbéru, jeho efektivita i logaritmický dekrement útlumu pro různé povrchy podpůrného vrchlíku. Navrhovaný projekt bude zaměřen za experimentální analýzu planárního modelu kulového absorbéru. Budou sestaveny rezonanční křivky pro různé amplitudy budící síly v širším frekvenčním pásmu. Krom odezvy podpůrné konstrukce bude měřena i odezva koule pomocí vyhodnocování videozáznamu z vysokorychlostní kamery. [1] PIRNER, Miroš a Ondřej FISCHER. Dynamika ve stavební praxi. Praha: ČKAIT, 2010. ISBN 978-80-87438-18-3. [2] ELIAS, Said a Vasant MATSAGAR. Research developments in vibration control of structures using passive tuned mass dampers. Annual Reviews in Control. 2017, 44, 129-156. ISSN 13675788. Dostupné z: doi:10.1016/j.arcontrol.2017.09.015 [3] NÁPRSTEK, Jiří a Cyril FISCHER. Stable and unstable solutions in auto-parametric resonance zone of a non-holonomic system. Nonlinear Dynamics. 2020, 99(1), 299-312. ISSN 0924-090X. Dostupné z: doi:10.1007/s11071-019-04948-0 [4] NÁPRSTEK, Jiří, Cyril FISCHER, Miroš PIRNER a Ondřej FISCHER, 2013. Non-linear Model of a Ball Vibration Absorber. In: PAPADRAKAKIS, Manolis, Michalis FRAGIADAKIS a Vagelis PLEVRIS, ed. Computational Methods in Earthquake Engineering. Dordrecht: Springer Netherlands, 2013, s. 381-396. Computational Methods in Applied Sciences. ISBN 978-94-007-6572-6. Dostupné z: doi:10.1007/978-94-007-6573-3_18 [5] SUN, Lei, Shujin LI a Fan ZHANG, 2022. Effect of Self-Resetting Ball Absorber on the Mechanical Properties of the Fabricated Structure and Its Influencing Factors: Theory and Experimentation. Journal of Vibration Engineering & Technologies. 10(3), 897-917. ISSN 2523-3920. Dostupné z: doi:10.1007/s42417-021-00418-3 [6] LI, Shujin, Lei SUN a Fan KONG, 2019. Vibration Control Performance Analysis and Shake-Table Test of a Pounding Tuned Rotary Mass Damper under the Earthquake. Shock and Vibration. 2019, 1-14. ISSN 1070-9622. Dostupné z: doi:10.1155/2019/4038657 [7] CHEN, Junling a Christos T. GEORGAKIS, 2013. Tuned rolling-ball dampers for vibration control in wind turbines. Journal of Sound and Vibration. 332(21), 5271-5282. ISSN 0022460X. Dostupné z: doi:10.1016/j.jsv.2013.05.019 [8] PIRNER, Miroš, 2002. Actual behaviour of a ball vibration absorber. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 90(8), 987-1005. ISSN 01676105. Dostupné z: doi:10.1016/S0167-6105(02)00215-5 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD : V rámci řešení projektu budou prováděny experimentální měření kulového absorbéru umístěného v podpůrné míse. Problém bude omezen pouze na planární, tedy dvourozměrnou, úlohu. Pro výrobu podpůrné sestavy bude využito 3D tisku. Jednotlivé dílčí vytištěné části budou mezi sebou spojovány. Tisk bude zajištěn spoluřešitelem Davidem Juračkou, jenž disponuje tiskárnami Prusa i3 MK3S+. Jako zkušební koule bude použita biliárová koule, u níž je dosaženo dokonalého tvaru, jenž však bude nutno zdrsnit pro poskytnutí dostatečného třeni k zajištění valivého pohybu. Vhodným zdrojem budící síly je vibrační stůl, hlavně díky variabilitě možných nastavení budících funkcí. Pokud je žadateli známo, Fakulta stavební VŠB – Technická univerzita Ostrava nedisponuje tímto zařízením. Bude tedy využito laboratoří Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR. Zde budou provedeny veškeré experimenty. Pro měření posunu podpůrné konstrukce je plánováno použití laseru. Pohyb koule je plánováno analyzovat pomocí videozáznamu. Navrhovateli je známo, že Experimentální a diagnostické stavební centrum FAST disponuje vysokorychlostními kamerami. S ohledem na cenu vybavení a transportní náročnost považuje navrhovatel za vhodné, aby pro většinu experimentu bylo využito kamer laboratoří UTAM AV ČR. Pro provedení kontrolního měření však bude použita vysokorychlostní kamera Experimentálního a diagnostického stavebního centra FAST. Vedení Experimentálního a diagnostického stavebního centra FAST se zapůjčením souhlasí. V navrhovaném projektu je předpokládáno provedení experimentu s různými parametry zkušebního tělesa. Budou provedena měření s rozdílnou tuhostí a hmotností podpůrné konstrukce. Je odhadováno, že proběhne zhruba deset až dvacet experimentů, při kterých bude docházet k vystavení experimentální soustavy periodickému silovému buzení o vybraných amplitudách budící síly. Pro analýzu odezvy absorbéru bude postupně měněna budící frekvence v širokém frekvenčním pásmu. Přesnější počet experimentů je obtížné odhadnout. Mohou například nastat potíže s podpůrnou konstrukcí spojené s 3D tiskem. Může rovněž docházet k nežádoucím fyzikálním jevům, jako je například porušení předpokladu valení koule nebo oddělení koule od mísy. Tato a jiná úskalí však budou odhalena až s probíhajícími experimenty. Vyhodnocování bude provedeno pomocí software MATLAB. Případné využití dalších metod výpočtu či software závisí na přesnosti dosažených výsledků. ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU: Ing. Marek Kawulok - Hlavní řešitel projektu. - Rešerše odborných publikací zaměřených na zkoumanou problematiku. - Návrh experimentální sestavy. - Provádění a účast na experimentech. - Vyhodnocování výsledků experimentů. - Vypracovávání příspěvku na konferenci a publikace do recenzovaného časopisu. - Aktivní účast na konferenci. - Práce na projektu cca 9 hodin týdně. Ing. Arch. David Juračka - Rešerše odborných publikací zaměřených na zkoumanou problematiku. - Pomoc s přípravou modelu pro 3D tisk. - Provádění 3D tisku experimentální sestavy. - Pomoc s přípravou a korekce článku a konferenčních příspěvků. - Práce na projektu cca 4 hodin týdně. prof. Ing. Stanislav Pospíšil, Ph.D. - Hlavní odborný školitel. - Konzultant v rámci předloženého projektu. ROZPOČET – ROZDĚLENÍ (150 000 Kč) Stipendia (80 000 Kč): 60 000 Kč – Marek Kawulok 20 000 Kč – Ing. Arch. David Juračka Drobný hmotný a nehmotný majetek (2000 Kč): 2 000 Kč –Datové nosiče pro zálohování dat Materiálové náklady (4 000 Kč): 2 000 Kč - Nákup filamentu pro 3D tisk experimentální sestavy 2 000 Kč - Nákup zkušební koule a dalšího drobného materiálu pro přípravu a provádění experimentu (například šroubky, lepidla, atd) Služby (24 000 Kč): 5 000 Kč – Vložné na konferenci Modelování v mechanice 2023 2 000 Kč – Zapůjčení a kalibrace vysokorychlostních kamer z Experimentálního a diagnostického stavebního centra FAST. 17 000 Kč – UTAM AV ČR – Provádění experimentů na vibračním stole včetně zapůjčení akcelerometrů, měřících zařízení, vysokorychlostní kamery. Kalibrace experimentálního zařízení a snímačů. Cestovní náklady (25 000 Kč): 25 000 Kč (10×2 500 Kč) – Služební cesty se záměrem přípravy experimentu, odzkoušení experimentálního zařízení a provádění experimentů. Doplňkové (režijní) náklady 10 % = 15 000 kč HARMONOGRAM PRACÍ: Leden-Únor: Rešerše odborné literatury, Březen: Navržení a provedení tisku experimentální sestavy. Duben: První experimenty a provádění úprav na experimentální soustavě Květen: provádění experimentů a účast na konferenci modelování v mechanice Červen-Říjen: Vyhodnocování experimentu a provádění doplňujících či upřesňujících měření Říjen–Listopad: Příprava publikace, zaslání publikace a dokončení projektu.

2023

2023

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Kawulok Marek Ing.