Pokročilé metody modelování a výpočtů membránových konstrukcí

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá pokročilou numerickou analýzou a návrhem membránových konstrukcí, které představují vrchol nelineárního inženýrského stavitelství. Hlavním přínosem práce je předložení a verifikace moderních numerických postupů při modelování a následné statické analýze zástupců dvou základních typů membránových konstrukcí, kterými jsou jednovrstvé předpjaté membrány a pneumatické fasády tvořené ETFE polštáři. V rámci práce byly aplikovány pokročilé metody procesu hledání tvaru (form-finding) u prostorově zakřivených ploch, které prokázaly kritickou závislost mezi stabilitou numerického modelu a způsobem definice předpětí. Práce přináší zásadní vhled do problematiky interakce lehkých konstrukcí s okolní městskou zástavbou, přičemž na základě aerodynamických simulací identifikuje rizikové jevy, které standardní normové postupy nedokážou pokrýt. Analýza dále prokazuje, že aplikace normových postupů pro zatížení sněhem u konstrukcí složitých tvarů vykazuje značné limity a může vést k podhodnocení skutečných účinků působících na konstrukci. Klíčovým zjištěním je potvrzení dostatečné únosnosti obou analyzovaných systémů, u nichž bylo i při extrémním klimatickém namáhání prokázáno bezpečné využití kapacity materiálu. Práce dále vyzdvihuje nutnost dodržení specifických zásad pro generování střihových vzorů a využití doporučených konstrukčních detailů v okolí podpor a vrcholových prstenců, čímž přímo přispívá k eliminaci rizik vzniku nevratných deformací či lokální ztrátě napjatosti. Předložené závěry poskytují ucelený návod pro navrhování spolehlivých a subtilních konstrukcí, které splňují náročné požadavky moderní architektury na estetiku i funkčnost.

This master's thesis deals with advanced numerical analysis and the design of membrane structures, which represent the pinnacle of non-linear structural engineering. The primary contribution of this work lies in the presentation and verification of modern numerical procedures for the modelling and subsequent structural analysis of two fundamental types of membrane systems: single-layer prestressed membranes and pneumatic facades composed of ETFE cushions. In the course of this work, advanced form-finding methods were applied to spatially curved surfaces, demonstrating a critical dependence between the stability of the numerical model and the definition of prestress. The thesis provides fundamental insights into the interaction between lightweight structures and the surrounding urban environment, identifying risk phenomena through aerodynamic simulations that standard code-based procedures fail to capture. Furthermore, the analysis proves that the application of standard codes for snow loading on complex geometries exhibits significant limitations and may lead to an underestimation of the actual effects acting on the structure. A key finding is the confirmation of the sufficient load-bearing capacity of both analysed systems, where safe utilization of material capacity was demonstrated even under extreme climatic conditions. The thesis further emphasizes the necessity of adhering to specific principles for generating cutting patterns and utilizing recommended structural details near supports and apex rings. This directly contributes to eliminating the risks of irreversible deformations or local loss of prestress. The presented conclusions provide a comprehensive guide for designing reliable and slender structures that meet the demanding requirements of modern architecture for both aesthetics and functionality.