Schválené projekty 2018

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2018

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 008 271 Kč

Z toho 2.5% - 1 375 200 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 169 170
EKF  3 711 750
FAST  2 600 000
FS  8 523 694
FEI 14 727 528
HGF  6 164 359
FMT  7 136 570
VC  9 600 000
CELKEM 53 633 071

KódSP2018/76
Název projektuNumerické modelování vláknobetonových kompozitních desek v interakci se zemním prostředím pomocí HPC
ŘešitelNeuwirthová Zdeňka Ing.
Školitel projektuprof. Ing. Radim Čajka, CSc.<br />
Období řešení projektu01.01.2018 - 31.12.2018
Předmět výzkumuROZBOR STAV PROBLEMATIKY V ČR A VE SVĚTĚ

V posledních desetiletích dochází k rychlému vývoji v oblasti počítačových technologií. V souvislosti s tímto vývojem došlo také rozšířenému využití počítačových simulací za účelem předvídání nejrůznějších jevů. Ve stavebnictví se nejčastěji k tvorbě numerickým modelů využívá metody konečných prvků (MKP), která bude využita i v rámci tohoto projektu Studentské grantové soutěže (SGS). V současné době existuje velké množství programů na bázi MKP, které jsou připraveny k použití. Jde například o Sciu Engineer [4], Ansys [5], LS-Dyna [7], Plaxis [6]. V rámci této SGS bude využíván výpočetní program Ansys 18.0, případně další dostupné.

Při řešení interakční úlohy základové desky a podloží dochází stále k vývoji výpočtových modelů [2,9], ale jelikož jde o komplexní úlohu s velkým množstvím neznámých a nelinearit, stále ještě není znám optimální postup pro modelování této úlohy. Bylo také dokázáno [8], že při použití 3D modelů na bázi MKP se výsledné hodnoty numerických modelů mohou lišit v závislosti na zvolených parametrech, kterými jsou například volba okrajových podmínek, velikost a hustota sítě konečných prvků nebo velikost modelované oblasti. To znamená, že výsledky se dají přímo ovlivnit v závislosti na zvolených vstupních údajích. Z toho důvodu se nejen v České republice, ale po celém světě provádí experimentální měření za účelem porovnání s výsledky modelů a zpřesnění metod výpočtu [1,3,8].

Na Fakultě stavební je výzkumu a analýze betonových konstrukcí dlouhodobě věnována pozornost, jde např. o projekt GAČR 16-08937S „Stav napětí a deformace vláknobetonových kompozitů v interakci se zemním prostředím“. Cílem této práce je volně navázat na práci Jany Vaškové [1,8]. S ohledem na doposud provedené numerické výpočty se ukázalo, že v současné době jsou již vyčerpány možnosti stolního počítače při analýze. Při řešení úloh na stolních počítačích jsme limitováni velikostí úlohy a časovou náročností výpočtu. Použití superpočítače tyto limitující prvky odstraňuje ve všech fázích – při návrhu, analýze i testování. Využití HPC tedy umožňuje řešit úlohy několikanásobných rozměrů, což umožní pokračování výzkumu. Předpokládá se využití paralelních výpočtů programem ANSYS v superpočítačovém centru IT4 Innovations, které je součástí VŠB-TUO. Modelované konstrukce budou ověřeny za pomocí experimentů provedených v rámci projektu GAČR 16-08937S na testovacím zařízení Stand.

[1] R. Cajka, J. Labudkova, Influence of parameters of a 3D numerical model on deformation arising in interaction of a foundation structure and subsoil. 1st International Conference on High-Performance Concrete Structures and Materials (COSTMA '13). Budapest, Hungary, December 10-12, 2013
[2] Sadecka, L. - Finite/infinite element analysis of thick plate on a layered foundation, Computers and Structures, Volume 76, Issue 5, 15 July 2000,Pages 603-610, DOI: 10.1016/S0045-7949(99)00180-7.
[3] Alani, A. – Aboutalebi, M.: Analysis of the subgrade stiffness effect on the behaviour of ground-supported concrete slabs. Structural Concrete. 2012, roč.13, č. 2, s. 102-108. DOI: 10.1002/suco.201100043.
[4] SCIA: A NEMETSCHEK COMPANY [online]. [cit. 2017-12-06]. Dostupné z: https://www.scia.net
[5] ANSYS [online]. USA: Pennsylvania, 2015 [cit. 2017-12-06]. Dostupné z: http://www.ansys.com/
[6] PLAXIS [online]. Netherlands [cit. 2017-12-06]. Dostupné z: https://www.plaxis.com/
[7] LS-Dyna. LSTC [online]. Netherlands, 2011 [cit. 2017-12-06]. Dostupné z: http://www.lstc.com/products/ls-dyna
[8] Cajka, R. – Labudkova, J.: Dependence of deformation of a plate on the subsoil in relation to the parameters of the 3D model, International Journal of Mechanics, Volume 8, Pages 208-215, ISSN: 1998-4448, 2014.
[9] Jana Labudkova, Radim Cajka, Experimental measurements of subsoil–structure interaction and 3D numerical models, In Perspectives in Science, Volume 7, 2016, Pages 240-246, ISSN 2213-0209, https://doi.org/10.1016/j.pisc.2015.11.039.


PŘEHLED POUŽITÝCH METOD

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ

Numerický model bude vytvořen v programu Ansys (Mechanical APDL) tak, aby byl kompatibilní pro použití s nástavbou Ansys HPC a mohl být spuštěn na superpočítači. Numerická analýza bude prováděna ve variantním řešení, což znamená, že bude vytvořeno několik modelů a výpočetní modely se budou postupně upřesňovat tak, aby se zvyšovala výstižnost řešené úlohy. Analýza bude založena na bázi metody konečných prvků, pomocí prostorových 3D prvků bude vytvořen prostorový model pro řešení interakce základu a podloží. Model podloží i betonové desky bude tvořen pomocí 3D prostorových, izoparametrických, osmiuzlových konečných prvků, model podloží bude volen jako lineární. Model desky bude proveden s využitím materiálového modelu Concrete, který je součástí výpočtového prostředí Ansys a budou v něm zohledněn vliv drátků. Obě části budou propojeny pomocí vhodně zvoleného kontaktu, který simuluje styk desky s podložím tak, aby nedocházelo k přenosu tahových sil. Bude také zkoumán vliv okrajových podmínek na chování modelu, proto bude voleno více variant okrajových podmínek.

EXPERIMENTÁLNÍ TESTY A VYHODNOCENÍ DAT ZÍSKANÝCH Z TĚCHTO TESTŮ

Na zkušebním zařízení Stand umístěném v areálu Fakulty stavební VŠB-TUO budou provedeny zkoušky vláknobetonových desek, které budou zatěžovány pomocí hydraulického lisu. Díky zabudovaného čidla bude automaticky snímána zatěžovací síla v barech. Svislá deformace desky je měřená pomocí 16 potenciometrů umístěných na horním líci desky. Další zjišťovanou proměnnou je napětí na dolním povrchu desky, které je zjišťováno pomocí tenzometrů, které je založeno na principu deformování čidla vlivem mechanické zátěže. Dále je měřen elektrický odpor pomocí digitálního multimetru. Tyto zatěžovací zkoušky budou realizovány v rámci vědecko-výzkumného projektu GAČR 16-08937S „Stav napětí a deformace vláknobetonových kompozitů v interakci se zemním prostředím“.

Pro dosažení kvalitních výsledků budou kombinovány metody numerického modelování a experimentální testů. Budou proto porovnávány hodnoty maximální svislé deformace a hodnoty napětí na dolním povrchu desky.


ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ TÝMU

Ing. Zdeňka NEUWIRTHOVÁ

• řízení a koordinace projektu
• tvorba numerických modelů
• příprava modelů pro výpočet na superpočítači
• účast na zkouškách a následné zpracování podkladů z měření prováděných na zkušebním zařízení Stand v rámci vědecko-výzkumného projektu GAČR 16-08937S
• analýza experimentálně zjištěných dat
• vyhodnocování dat
• publikační činnost
• účast na konferencích
Téma tohoto SGS projektu přímo navazuje na téma disertační práce na téma: Analýza betonových konstrukcí pomocí superpočítače a HPC

Ing. Zuzana MARCALÍKOVÁ

• zpracování podkladů z měření prováděných na zkušebním zařízení Stand v rámci vědecko-výzkumného projektu GAČR 16-08937S
• analýza experimentálně zjištěných dat
• publikační činnost
Téma tohoto SGS projektu je příbuzné s tématem disertační práce na téma: Stav napětí a deformace vláknobetonových kompozitů v interakci se zemním prostředím
Pozn.: Ing. Zuzana Marcalíková bude od února 2018 studentkou doktorského studia VŠB-TUO Fakulty stavební.


PŘEDCHOZÍ DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ČLENŮ TÝMU - STUDENTŮ

Neuwirthová, Z.; Kološ, I. Statická analýza lanové konstrukce - účinky lan na stožáry elektrického vedení. Prezentace 3. Česko-čínská vědecká konference 2017; Ostrava; 06/2017

Výsledky evidované v systému Scopus nejsou žádné a to z toho důvodu, že Ing. Zdeňka Neuwirthová je studentkou druhého ročníku doktorského studia a Ing. Zuzana Marcalíková 1. 2. 2018 zahájila doktorské studium.


ZDŮVODNĚNÍ FINANČNÍCH POŽADAVKŮ

Stipendia: Ing. Zdeňka Neuwirthová – 95 000;- z důvodů časové a obsahové náročnosti projektu
Ing. Zuzana Marcalíková – 27 500;-
Materiálové náklady – kancelářské potřeby – 2 500;-
Drobný hmotný majetek – 2x extenzometr – 4 000;-
Služby - 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering – 6 500 ;-
Ostatní publikační náklady: 20 500;-
Cestovní náhrady - 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering, popř. Betonářské dny 2018 apod. – 6 000;-
Doplňkové režijní náklady (10%) – 18 000;-
Členové řešitelského týmuprof. Ing. Radim Čajka, CSc.
Ing. Zuzana Marcalíková
Ing. Zdeňka Neuwirthová
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)CÍL VÝZKUMU:

Předmětem výzkumu tohoto SGS projektu je numerické modelování desek z vláknobetonových kompozitů v interakci se zemním prostředím s využitím superpočítače. Hlavní náplní tohoto projektu je výzkum možnosti modelování pomocí HPC a s tím související tvorba numerických výpočetních modelů na bázi metody konečných prvků pro řešení interakce základu s podložím a jejich adaptace pro výpočet na superpočítači. Při tvorbě simulačních úloh budou využity možnosti HPC na superpočítači v areálu VŠB-TU Ostrava. Výsledky numerických modelů budou primárně hodnoty svislých deformací, ale také napětí na dolním povrchu desky. Tyto hodnoty budou porovnávány s výsledky experimentálních testů provedených na zkušebním zařízení Stand v areálu Fakulty stavební. Tyto experimenty jsou prováděny a financovány v rámci projektu GAČR 16-08937S. Pro vyhodnocení budou použity primárně výsledky testů provedených v letech 2016 a 2017, ale také data z testů prováděných v první polovině letošního roku.

Řešením projektu je nejen analýza samotné betonové konstrukce, ale také její interakce s podložím, jedná se tedy o velmi komplexní úlohu s velkým množstvím neznámých a nelinearit. Úloha je fyzikálně a konstrukčně nelineární a jedná se tzv. kontaktní úlohu, což znamená, že při zatížení nedochází k přenosu tahových sil. Výpočetní model zeminy bude volen tak, aby odpovídal teorii pružného poloprostoru. Pružný poloprostor bude nahrazen krychlí s konečnými rozměry a krychle bude řešená metodou konečných prvků.

Hlavním cílem bude provedení parametrické studie zvažující potřebné rozměry této krychle a vliv typu okrajových podmínek. V současné době je na toto téma v rámci výše zmíněné grantové úlohy GAČR 16-08937S rozpracovaná studie, která je omezená kapacitou stolního počítače, z toho důvodu je žádoucí zkoumat možnosti superpočítání. Šlo by tedy o rozšíření této studie. Jelikož jsou možnosti stolního počítače vyčerpány, je potřeba pokračovat ve výpočtech za pomocí superpočítače, ke kterým bude potřeba využít nástavbu Ansys-HPC. V závislosti na funkčnosti nelze využít stávající modely, jelikož nejsou adaptovány pro výpočet na superpočítači, a proto je potřeba vytvořit nový výpočtový model speciálně přizpůsobený nejen pro spuštění na HPC ale také pro využití paralelních výpočtů. Úloha bude nejprve řešená jako lineární s maximálním možným zjednodušením, což umožní snáze odhalit chyby vznikající vlivem adaptace modelu pro výpočet pomocí HPC a úpravou pro paralelní výpočty. Po vyřešení zjednodušeného modelu budou do výpočtu postupně vnášeny nelinearity. Po vytvoření základního modelu a úspěšném spuštění na superpočítači bude tento model rozvíjen – bude přidán model drátkobetonové desky a bude zohledněn kontakt obou částí.


OČEKÁVANÉ VÝSTUPY:

• 1x článek ve sborníku typu D (konference evidovaná ve Scopus nebo WoK) – 1x „Conference paper“ 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering
• 2x článek typu Jsc nebo Jimp, – 2x „Article“
- ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences
- International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology
• Podklady pro disertační práce doktorandek Zdeňky Neuwirthové a Zuzany Marcalíkové

ČASOVÝ HARMONOGRAM:

01/18 - 04/18 Tvorba základního modelu pro výpočet na superpočítači
05/18 – 07/18 Rozšíření modelu o model drátkobetonové desky
08/18 – 09/18 Zohlednění kontaktu mezi podložím a deskou
03/18 – 07/18 Provádění experimentálních zkoušek v rámci projektu GAČR 16-08937S
04/18 – 10/18 Vyhodnocení experimentálně zjištěných dat provedených v rámci projektu GAČR 16-08937S v letech 2016, 2017 a v první polovině letošního roku
02/18 – 10/18 Analýza výsledků numerických modelů a jejich porovnání s experimentálně zjištěnými daty
03/18 – 11/18 – Publikační činnost

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia122500,-122500,-
3. Materiálové náklady2500,-1840,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek4000,-4527,-
5. Služby27000,-25233,-
6. Cestovní náhrady6000,-7900,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory18000,-18000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady180000,-
Uznané náklady180000,-
Celkem běžné finanční prostředky180000,-180000,-