Algoritmizace návrhu počátečního tvaru membránových konstrukcí a jejich statická a dynamická analýza
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební
Abstract
Předkládaná práce se zabývá problematikou navrhování membránových konstrukcí, a to především s ohledem na vývoj potřebných výpočetních nástrojů v rámci MKP programů. Po uvedení základních fyzikálních požadavků jednotlivých kroků při navrhování těchto konstrukcí budou dále prezentovány vybrané či navržené algoritmy. Kapitola form finding se zabývá analýzou tvaru membránových konstrukcí. Rovnovážný tvar je odvozen od požadavku na výsledné předpětí, specifikované okrajové podmínky a aplikované zatížení. Obecně se ale tento proces zabývá i samotným hledáním rovnovážné soustavy sil v prostoru. V důsledku této skutečnosti jsou součástí popisované analýzy také vhodné stabilizační metody. V této kapitole budou prezentovány jak zvolené postupy, tak i navržená stabilizační technika specializovaná na hledání tvarů kuželových membrán. Dále je také popsán navržený algoritmus pro řešení úloh optimalizujících tvary ohybově tuhých konstrukcí, které jsou spjaty s hledáním labilních rovnovážných konfigurací. Kapitola structural analysis je zaměřená především na fenomén vrásnění membrán. Tato náhlá ztráta stability silně ovlivňuje statickou i dynamickou odezvu membránových konstrukcí. V rámci této kapitoly je představena a verifikována navržená výpočetní metoda, modulárně aplikovatelná na lineární, nelineárně elastické i plastické materiály používané pro uvedené konstrukce. Kapitola cutting pattern generation se zabývá výpočtem střihových vzorů, nezbytných pro výrobní proces membránových konstrukcí. Pro tento proces je v rámci předkládané práce navržena kombinace dvou různých metod. Zvolená posloupnost algoritmů cílí na optimalizaci poměru rychlosti, obecnosti a přesnosti výpočtu. Zmíněné kapitoly jsou doplněny jednotlivými příklady, analyzovanými pomocí popisovaných algoritmů, které demonstrují konkrétní fyzikální problémy či nezbytné implementační procesy.
The present thesis deals with membrane structures, focusing on the description of both the inherent physical necessitates which has to be dealt and the algorithms used when developing the FEM software. After introducing physical basis of the individual design and analysis steps, the specific issues associated with these calculation procedures as well as the particular solution processes are described. The first chapter deals with the form finding analysis, which is inherently associated with designing tensile structures. The equilibrium shape is derived from the requirement for the resulting prestress, given boundary conditions and applied external load. However, this process is also generally dealing with a complex task of searching for the equilibrium itself. Therefore, necessary stabilization techniques are an inherent part of the calculation procedures. The selected methods as well as the proposed technique specialized for the calculation of conical membranes are presented. In addition to the given thesis scope, the proposal of an algorithm for dealing with optimizing the shapes of arches and shells is described. In the chapter about the structural analysis, the main focus is given to the phenomenon of membranes wrinkling. This sudden loss of stability, when the compression occurs, strongly affects the structural response. The proposed algorithm is presented, which is modularly applicable to both the elastic and inelastic materials as described in detail. The chapter dealing with the cutting pattern generation process presents the proposal of the selected combination of two existing solution methods. This algorithms sequence focuses on reaching the optimum combination of the calculation speed, generality and precision. The individual chapters are complemented by presenting of the examples analyzed by using the described algorithms, which demonstrate the individual physical or implementation issues and the associated solution procedures.
The present thesis deals with membrane structures, focusing on the description of both the inherent physical necessitates which has to be dealt and the algorithms used when developing the FEM software. After introducing physical basis of the individual design and analysis steps, the specific issues associated with these calculation procedures as well as the particular solution processes are described. The first chapter deals with the form finding analysis, which is inherently associated with designing tensile structures. The equilibrium shape is derived from the requirement for the resulting prestress, given boundary conditions and applied external load. However, this process is also generally dealing with a complex task of searching for the equilibrium itself. Therefore, necessary stabilization techniques are an inherent part of the calculation procedures. The selected methods as well as the proposed technique specialized for the calculation of conical membranes are presented. In addition to the given thesis scope, the proposal of an algorithm for dealing with optimizing the shapes of arches and shells is described. In the chapter about the structural analysis, the main focus is given to the phenomenon of membranes wrinkling. This sudden loss of stability, when the compression occurs, strongly affects the structural response. The proposed algorithm is presented, which is modularly applicable to both the elastic and inelastic materials as described in detail. The chapter dealing with the cutting pattern generation process presents the proposal of the selected combination of two existing solution methods. This algorithms sequence focuses on reaching the optimum combination of the calculation speed, generality and precision. The individual chapters are complemented by presenting of the examples analyzed by using the described algorithms, which demonstrate the individual physical or implementation issues and the associated solution procedures.
Description
Citation
LANG, R. Algoritmizace návrhu počátečního tvaru membránových konstrukcí a jejich statická a dynamická analýza [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. 2019.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukce a dopravní stavby
Comittee
prof. Ing. Marcela Karmazínová, CSc. - předseda,
prof. Ing. Martin Krejsa, Ph.D. - oponent,
doc. Ing. Jiří Kytýr, CSc. - oponent,
doc. Ing. Lumír Miča, Ph.D. - člen,
Ing. Mojmír Nejezchleb - člen,
prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc. - člen,
doc. Dr. Ing. Michal Varaus - člen,
prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. - člen,
prof. Ing. Drahomír Novák, DrSc. - člen,
prof. Ing. Jindřich Melcher, DrSc. - člen,
doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D. - člen,
prof. Ing. Leonard Hobst, CSc. - člen,
prof. Ing. Zbyněk Keršner, CSc. - člen
Date of acceptance
2019-11-28
Defence
Disertační práce je velmi aktuální z hlediska tématu a řešených problémů zaměřených na membránové konstrukce. Práce je vypracována na vysoké úrovni, a to jak po stránce odborné a vědecké, tak po stránce formální. Prezentace cílů, obsahu, metod a výsledků řešení práce doktorandem byla provedena rovněž na vysoké úrovni. Principy, metody a výsledky řešení uvedené v disertační práci jsou velmi významným příspěvkem pro navrhování a analýzu membránových konstrukcí obecně i pro konkrétní případy.
Otázky a odpovědi:
Jaký materiál se používá na membrány? Jaká je jejich plošná hmotnost?
Odpověď odborně zodpovězena. Plošná hmotnost membrán je 0,7–2 kg/m2.
Jak jsou zohledněny tuhosti podepření a uložení membrány na stanovení tvaru a vrásnění membrány?
Jakým způsobem se stanoví velikost dílců membrány pro nerozvinutelné plochy?
Uchazeč velmi dobře zodpověděl obě otázky.
Jaká je životnost membránových konstrukcí, konkrétně např. u olympijského stadionu v Mnichově.
Cca 20 let. Stadion v Mnichově ještě měněn nebyl.
Testy, uvažované zatěžovací stavy, relativní zatížení.
Životnost těchto typů konstrukcí a analýza ovlivňujících parametrů.
Doktorand zodpověděl všechny otázky s hlubokou znalostí řešené problematiky.
Máte k dispozici tahový diagram, je v oblasti plasticity závislost plošší nebo není? Toto ovlivní velikost růstu sil v oblasti koncentrátoru napětí?
S odpovědí souhlasím, prezentoval závislost – změřenou.
Čím je řízena iniciace vrásnění?
Složitá komplexní otázka – imperfekce, okrajové podmínky apod.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení