Projekti / Programi
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| 2.01.00 |
Tehnika |
Gradbeništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.01 |
Tehniške in tehnološke vede |
Gradbeništvo |
mehanika, konstrukcije, beton, jeklo, les, nelinearnost, materialni modeli, numerične metode, nevronske mreže, statika, dinamika, stabilnost, lom, toplota, vlaga, kompoziti, sovprežne konstrukcije, prednapete konstrukcije, požar, potres, statistika, zanesljivost, sanacije konstrukcij
Raziskovalci (22)
Organizacije (1)
Povzetek
Program Mehanika konstrukcij uvrščamo v polje Mehanika (24). Gre za program, v okviru katerega razvijamo nove teorije, numerične algoritme in računalniške programe za boljše (=uspešnejše) reševanje nekaterih praktičnih inženirskih problemov pri načrtovanju, pripravi dela in izvedbi zgradb. Ti so:
(i) Analiza ravninskih in prostorskih armiranih in prednapetih betonskih okvirjev pri statični in potresni obtežbi ob upoštevanju lokalizacije deformacij zaradi mehčanja betona. Naše dosedanje študije kažejo, da ima pravilno upoštevanje lokalizacije deformacij izreden pomen. Pregled strokovne in znanstvene literature kaže, da je problem, čeprav izredno bistven, saj močno vpliva na rezultate, še slabo rešen. Raziskovalci na primer zelo redko upoštevajo raztezek osi ali geometrijsko nelinearnost hkrati z mehčanjem in lokalizacijo (kar lahko zelo vpliva na rezultate), izpeljani končni elementi pa imajo največkrat težave s konvergenco. V nasprotju z njimi pa končni elementi, ki smo jih razvijali v okviru naših teoretičnih raziskav v preteklih letih, teh problemov nimajo. Nadaljevali bomo z njihovo razširitvijo za uporabo v analizi vpliva potresa na betonske ravninske in prostorske okvirje in za naprednejše dimenzioniranje betonskih konstrukcij v praksi. Nadaljevali bomo z izdelavo računalniških programov za raziskovalne in praktične namene.
(ii) Analiza ravninskih in prostorskih armiranih in prednapetih betonskih okvirjev pri požarni obtežbi ob upoštevanju lokalizacije deformacij zaradi mehčanja betona. Zahteve prakse po računskem preverjanju vpliva požara na konstrukcije so postale skoraj vsakodnevne. Obstoječe metode za preverjanje vpliva požara so na razmeroma nizki stopnji. V preteklih letih je bil razvit računalniški program za račun požarne odpornosti, ki uporablja teoretične osnove iz točke (i). Ta izredno napreden program, ki prav tako upošteva lokalizacijo deformacij zaradi mehčanja betona, ki je zdaj zaradi visokih temperatur še opaznejša, želimo razširiti na prostorske okvirje. Poleg tega želimo določiti odvisnost materialnih parametrov od temperature in napetosti za naše betone in jekla.
(iii) Analiza ravninskih armiranih in prednapetih kompozitnih betonskih okvirjev ob upoštevanju zdrsa med sloji. Kompozitne betonske konstrukcije so postale vsakodnevne (na primer sovprežni nosilci jeklo--beton, dobetoniranje betonskih nosilcev ali stebrov in dolepljanje trakov na nosilce ali stebre zaradi ojačitve ali sanacije). Resne metode računa takih konstrukcij pa so še v nastajanju, kar dokazujejo številne objave v kongresnih zbornikih in v znanstvenih revijah ter nenazadnje tudi inženirska praksa. V preteklih letih je bila v okviru naše skupine izpeljana teorija kompozitnih nosilcev, ki upošteva geometrijsko nelinearnost in materialno nelinearnost materialov in veznega sloja. Analize z narejenim računalniškim programom kažejo, da je izbrani pristop pravilen. S tem so se odprle številne možnosti za nadaljnji razvoj formulacije in uporabo na številnih področjih gradbeništva (na primer: točnejši račun sanacij betonskih cestnih mostov; sanacije lesenih stropov, ojačanih z betonom, v pomembnih starih zgradbah -- gradovih).
(iv) Analiza vpliva vlage naravnega okolja na lesene lepljene nosilce. Predvidevamo, da se bo s stopnjevanjem potrošniškega načina življenja po zgledih zahodne civilizacije število lesenih zgradb hitro povečevalo. Eden od večjih problemov lesenih konstrukcij je njihova ranljivost na vlago. Tu je mišljen predvsem vpliv spremenljive vlažnosti na pomike (deformirano obliko) konstrukcije, ki lahko z leti ogrozijo njeno funkcionalnost. Z vplivom vlage na mehanske lastnosti lesa, lesenih kompozitov in lesenih konstrukcij se veliko ukvarjajo lesarji, gradbeniki, kemiki, fiziki in drugi. Rezultati žal še niso zadovoljivi. S problemi vpliva vlage se že vrsto let ukvarja tudi naša skupina. Naše zadnje raziskave kažejo, da se zaradi spreminjanja vsebnosti vlage v lesu hkrati občutno spreminja tudi temperatura. Ta nekol
Pomen za razvoj znanosti
• Raziskovalna skupina je pomembno prispevala k razvoju geometrijsko točnih numeričnih formulacij prostorskih nosilcev v svetu. Gre za šest formulacij. Prva (Jelenić & Saje 1995) temelji na PVD, edine interpolirane funkcije so variacije zasukov; druga ravno tako temelji na PVD, tokrat so interpolirane komponente vektorja ukrivljenosti glede na fiksen koordinatni sistem (Zupan & Saje 2003); tretja formulacija temelji na kolokacijski metodi in pogoju konsistence; tu so interpolirane le komponente vektorjev specifičnih deformacij glede na zasukani koordinatni sistem (Zupan & Saje 2003); četrta temelji na kolokacijski metodi in pogoju konsistence, v njej so interpolirani pomiki in rotacijski kvaternioni (Zupan E., Zupan & Saje 2009); peta temelji na na kolokacijski metodi in pogoju konsistence, kjer so predpostavljene konstantne specifične deformacije (Češarek, Zupan & Saje 2012); šesta temelji na PVD in interpolaciji pomikov in rotacijskih kvaternionov (E. Zupan, Saje & Zupan 2013). Nekatere od teh formulacij so razširjene tudi na dinamiko (2012-2013) in nelinearne materiale (jeklo, beton, armirani beton, les). • Najbolje citirana znanstvena dela skupine zadevajo kompozitne nosilce, kar kaže, da gre za aktualno, znanstveno zanimivo in dobro prikazano tematiko. V člankih v revijah Steel & Compos. Struct. 2004, Comput. & Struct. 2004, J. Struct. Eng. 2007, Struct. Eng. & Mech. 2006, 2010 smo postavili temelje linearni teoriji slojevitih nosilcev, kjer se sloja na stiku lahko zamakneta in razmakneta. V nadaljnjih člankih v Comput. & Struct. 2004, 2011,2013 in Eng. Struct. 2010 smo pripravili točno geometrijsko in materialno nelinearno ravninsko teorijo. Te teorije so bile uspešno uporabljene za ugotavljanje stabilnosti kompozitnih stebrov pri običajnih temperaturah in pri požaru. Aplicirane so bile tudi na delno delaminirane ravninske in prostorske nosilce. Rezultati so bili objavljeni v številnih člankih. Članek "The influence of boundary conditions and axial deformability on buckling behaviour of two-layer composite columns with interlayer slip" (Schnabl & Planinc, Eng. Struct. 2010) je anonimni tuji recenzent označil z besedami (prevedeno v slovenščino) "Recenzent želi poudariti, da je omenjeni članek najboljši, kar jih je recenziral v daljšem preteklem obdobju, in hkrati izredno pomemben za raziskovalce kompozitnih konstrukcij z zdrsom med sloji". • V zadnjem desetletju smo intenzivno raziskovali vpliv požara na betonske, jeklene in lesene konstrukcije. Gre za aktualno temo. Razvili in objavili smo numerična orodja za določanje termičnih razmer v konstrukciji in za mehansko analizo ter analizirali zanimive primere. Prenos vlage, pare in zraka po poroznih betonskih konstrukcijah smo reševali kot povezan s prehodom temperature, dobljene temperature in pritiske v pari pa smo kot obtežbe uporabili pri mehanski analizi. Podobne termično-hidrološke raziskave smo opravili za lesene konstrukcije. Za opis konstrukcij smo uporabljali geometrijsko točen model ravninskega linijskega nosilca, pri katerem je uporabljena originalna metoda določanja kritičnega lokalnega stanja in originalni postopek za upoštevanje lokalizacij deformacij, ki je podrobno opisan v članku "On strain softening in finite element analysis of RC planar frames subjected to fire" (Markovič, Saje, Planinc & Bratina, Eng. Struct. 2012). Objavili smo vrsto člankov v odličnih revijah, kot so Fire safety J., Finite Elem. Anal. & Design in Eng. Struct. • V soavtorstvu s podjetjem IGMAT Ljubljana smo razvili ultrazvočne metode, ki v kombinaciji z nevronskimi mrežami omogočajo določanje značilnih trenutkov v procesu strjevanja svežega betona, cementne paste in asfalta, npr. začetka vezanja cementa in trdnosti betona. O tem izrednem prispevku znanosti smo poročali v več člankih, med drugim tudi v pogosto citiranem članku "Prediction of concrete strength using ultrasonic pulse velocity and artificial neural networks" (Trtnik, Kavčič & Turk, Ultrasonics 2009).
Pomen za razvoj Slovenije
• Bogata ponudba komercialnih računalniških programov za analizo konstrukcij na tržišču daje vtis, da se lahko s komercialnimi računalniškimi programi reši vse probleme gradbeništva. Izkušnje kažejo, da temu ni tako. Del težav je tudi pomanjkanje zadostnega teoretičnega znanja pri inženirjih, kar je posledica stanja v slovenskem univerzitetnem prostoru. Omejene možnosti reševanja problemov s komercialnimi programi nastanejo še posebej pri nelinearnih analizah konstrukcij, ki so potrebne takrat, ko nas zanima dejanski odziv konstrukcij na posebno močne obtežbe (trki v konstrukcijo, potresi, veter, požari, poplavna obtežba in podobno), za ugotavljanje vzrokov porušitve in določanje parametrov konstrukcije z eksperimenti. Tedaj dobijo natančne in zanesljive formulacije v statiki in dinamiki konstrukcij velik praktični pomen. Posebna težava komercialnih programov je tudi ta, da nezadovoljivo upoštevajo lokalizacijo deformacij in zdrs med sloji ter niso prirejene za analizo požarov. Upoštevanje teh omogoča bistveno bolj realne rezultate, boljše razumevanje dejanskega obnašanja konstrukcije in zato pomeni določeno prednost na tržišču. Izpostaviti želimo izredno pomembnost metod, ki jih razvijamo za analizo vpliva požara na betonske konstrukcije, pri varnem dimenzioniranju avtocestnih predorov. • Beton igra pomembno vlogo v gradbeništvu. Pri betoniranju velikih volumnov (vodne pregrade, temelji stebrov in podobno) in izdelavi montažnih nosilnih elementov (in še kje) igra tehnologija vgradnje betona pomembno vlogo pri kvaliteti in ceni izdelka. Raziskave betona v fazi strjevanja so pri tem nadvse pomembne. K opisu dogajanj bistveno pripomorejo ultrazvočne metode merjenja, ki so del našega raziskovalnega programa. • Slovenija je ena izmed najbolj gozdnatih držav Evrope. Zato je naravnost nerazumljivo, da je uporaba lesa v graditeljstvu relativno omejena. Uporaba lesa kot naravno obnovljivega in ekološko izredno ugodnega gradbenega materiala gotovo sodi med prioritete, zlasti če upoštevamo, da se bo z ustreznim razvrščanjem povečala dodana vrednost konstrukcijskega lesa. Zdaj se namreč dogaja, da Slovenija izvaža hlodovino ali žagan les večjih dimenzij, potem pa za potrebe svojih podjetij (npr. proizvajalcev montažnih hiš) uvaža razvrščen les po bistveno višji ceni. Verjamemo, da bi morala naša lesena industrija sama razvrstiti in označiti svoj in po potrebi tudi uvoženi les. Zato ima delovanje programske skupine na razvoju metod za razvrščanje lesa in njihovo uvajanje v prakso velik gospodarski pomen. • Programska skupina izobražuje vrhunske kadre za področje mehanike konstrukcij. Taki kadri so za Slovenijo pomembni in nujni za dvig konkurenčnosti gradbene industrije na mednarodnem tržišču.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
