Schválené projekty 2015

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2015

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 52 908 039 Kč

Z toho 2.5% - 1 320 739 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v Kč
FBI  1 172 500
EKF  4 962 700
FAST  3 070 000
FS  8 256 000
FEI 12 282 100
HGF  5 433 000
FMMI  6 188 000
VC 10 223 000
CELKEM 51 587 300
KódSP2015/94
Název projektuNumerické modelování ocelových nosníků s ohledem na jejich optimalizaci chování
ŘešitelSucharda Oldřich Ing. Bc., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2015 - 31.12.2015
Předmět výzkumuRozbor 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
Členové řešitelského týmuIng. Petra Doné
Ing. Jan Kubošek
Ing. Bc. Oldřich Sucharda, Ph.D.
Ing. Jakub Vašek
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cíl výzkumu:

Cílem výzkumného úkolu je provedení a vyhodnocení laboratorních zkoušek uceleného souboru válcovaných nosníků s profilem bez výztuhy, s výztuhou nebo oslabených a vytvořením výpočetního nástroje, který bude možné následně využít k optimalizaci podobných konstrukčních detailů válcovaných nosníků a konstrukcí v případech, kdy bude docházet k řešení koncentrace napětí, velkému lokálnímu zatížení nebo poškození konstrukce.

Při analýze a výpočtech se předpokládá využití prostorových výpočetních modelů, zohlednění geometrických, konstrukčních a fyzikálních nelinearit a také náhodného charakteru vstupních dat. Vytvořené analýzy budou ověřeny na experimentech. S ohledem, že se jedná o ucelený výzkumný úkol, je řešení rozděleno do dílčích úkolů, které jsou pro rok 2015 uvedeny v postupu řešení. Dále s ohledem na projevený zájem studentů je předpoklad, že ve výzkumu dané problematiky budou dále pokračovat také v jejich doktorském studiu FAST.

Výstupy projektu:

2x Výstup D

Výstup D – Konference ESREL 2015 The uropean Safety and Reliability Conference 2015. venue: Swiss Federal Institute of Technology Zürich (ETH). (konf. popl. 15 + cestovné 8 + doprava 7 = 30 tis. Kč), 4 dny trvání konference. Aktivní účastník konference bude student Bc. Jakub Vašek.

Náhradní konference

Výstup D – Konference CC2015 The Fifteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing. venue, 1-4 September 2015, (Professor Barry H.V. Topping, Civil-Comp), (WoS nebo SCOPUS).

Výstup D – Konference NT 2015, New Trends in Statics and Dynamics of Buildings 2015, Bratislava, Oktober, 2015. (SCOPUS). (Délka cesty 4-5 dní) (konf. popl. 4 + cestovné a doprava 3 = 7 tis. Kč), 4 dny trvání konference. Aktivní účastník konference bude student Bc. Jan Kubošek.

2x Výstup Jsc nebo Jimp – (např. Frattura ed Integrita Strutturale, International Journal of Mechanics, apod.

Články do časopisů Jxx budou zaslány na základě dosažených výsledků, s ohledem na provedené experimenty, další výzkum a publikování v Jimp.

2x Diplomová práce (Bc. Jakub Vašek, Bc. Jan Kubošek)

1x Práce SVOČ

Celkově projekt zahrnuje 7 výstupů.

Aktivní účastník konference bude student Bc. Jakub Vašek (ESREL 2015) a Bc. Jan Kubošek (NT 2015).

V rámci postupu řešení je hlavní cíl projektu rozdělen na dílčí výzkumné úkoly pro rok 2015:

1) Provedení a vyhodnocení souboru zkoušek válcovaných profilů (20 zkoušek)
a) série nosníku – bez výztuhy,
b) série nosníků – s výztuhou,
c) série nosníků – s oslabeným profilem ,

2) Navrhnout a vytvořit výpočetní postup pro nelineární řešení v MKP na principu metody Newton-Raphson a naprogramovat prostorové (3D) izoparametrické konečné prvky a ověřit vytvořený program na studii,

3) naprogramovat dva nelineární materiálové modely oceli (ideálně-pružnoplastický a pružnoplastický model se zpevněním),

4) pro ověření funkčnosti vytvořeného programu a ověření zkoušek využít programu ANSYS (alt. SCIA).

Další perspektivy řešení projektu a doktorského studia studentů jsou uvedeny v příloze.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
6700,-6700,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)5000,-5000,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti1700,-1700,-
2. Stipendia17000,-17000,-
3. Materiálové náklady17000,-35239,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-14400,-
5. Služby29800,-601,-
6. Cestovní náhrady24000,-20560,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory10500,-10500,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady105000,-
Uznané náklady105000,-
Celkem běžné finanční prostředky105000,-105000,-