pobierz

ERRATA
W trakcie druku niniejszych materiałów zauważono błąd polegający na niezamieszczeniu :
1. w temacie PT2 streszczenia referatu autorstwa Łukasza Skarżyńskiego i Jacka Tejchmana
pt.: „Mezoskopowe modelowanie elementów betonowych”
2. w temacie PT 3 streszczenia referatu autorstwa Romana Putanowicza i Jerzego Pamina pt.: „Środowisko
obliczeniowe do analizy zagadnień pól sprzężonych i procesów degradacji materiałów inżynierskich”
3. w temacie PT 5 streszczenia referatu autorstwa Waldemara Wnęka, Przemysława Kubicy, Agaty Domżał
pt.: „Porównanie czułości jonizacyjnych i optycznych czujek dymu dla spalania i rozkładu termicznego różnych materiałów palnych”
Streszczenia te zamieszczamy na następnych stronach.
Za zaistniałą pomyłkę serdecznie przepraszamy.
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Mezoskopowe modelowanie elementów betonowych
Łukasz Skarżyński – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wstęp
Zrozumienie mechanizmu powstawania stref lokalizacji w betonie jest niezwykle ważne, ponieważ są one
prekursorami ostatecznego zarysowania i zniszczenia. W celu dokładnego opisu kształtu i szerokości powstających stref lokalizacji, w obliczeniach numerycznych, należy uwzględnić mikro-strukturę materiału. W szczególności obecność ziaren kruszywa odgrywa istotną rolę, ponieważ mogą one stanowić nawet do 70-75% objętości betonu. Obliczenia numeryczne wykonano dla naciętych belek betonowych [1] oraz dla belek żelbetowych z betonu drobnoziarnistego. Beton został opisany, jako stochastyczny, niejednorodny materiał trzyfazowy składający się z cementu, kruszywa i stref przejściowych pomiędzy cementem a kruszywem (ITZ). Do
opisu lokalizacji odkształceń użyto izotropowego modelu z degradacją sztywności z jednym skalarem zniszczenia. Dla właściwego opisu lokalizacji odkształceń model ciągły rozszerzono o długość charakterystyczną
mikrostruktury lc przy zastosowaniu teorii nielokalnej. Analizowany był wpływ kształtu, wielkości, rozkładu
losowego, sztywności oraz ilości kruszywa. Ponadto zbadano numerycznie wpływ szerokości strefy przejściowej, obecności nacięcia i długości charakterystycznej mikro-struktury na zachowanie betonu. Wyniki obliczeń numerycznych porównano z wynikami badań laboratoryjnych przeprowadzonych przy użyciu metody
nieniszczącej – cyfrowej metody korelacji obrazu DIC [2].
2. Modelowanie mezoskopowe MES
Przeprowadzone zostały dwu-wymiarowe symulacje numeryczne belek betonowych (naciętych)
poddanych testowi trzy-punktowego zginania i belek żelbetowych (bez nacięcia) poddanych testowi czteropunktowego zginania. Deformację elementów wymuszono poprzez przykładanie pionowego przemieszczenia
do górnej powierzchni belek. Dla kruszywa i stref przejściowych założono odpowiednio największą i
najmniejszą sztywność. Objętość kruszywa wynosiła 30-60%. Wpływ kształtu ziaren kruszywa dla belki
betonowej (80 320 mm2) jest przedstawiony na Rys.1.
a)
b)
Rys.1: Obliczony rozkład nielokalnych odkształceń w belce betonowej nad nacięciem dla: a) ziaren okrągłych i b) ziaren
nieregularnych (objętość kruszywa 45% i długość charakterystyczna 1.5 mm)
Rysunek 2 przedstawia z kolei strefę lokalizacji na powierzchni belki betonowej bezpośrednio nad
nacięciem otrzymaną w doświadczeniach przy użyciu DIC [2].
Rys.2: Strefa lokalizacji w belce betonowej nad nacięciem (metoda DIC) [2]
I
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Na Rys.3 pokazano rozkład stref lokalizacji dla belki żelbetowej poddanej zginaniu(200x2300 mm2).
Rozstaw stref lokalizacji jest zgodny z wynikami MES [3] dla betonu opisanego, jako materiał jednofazowy.
Rys.3: Obliczony rozkład nielokalnych odkształceń w belce żelbetowej
(objętość kruszywa 45% i długość charakterystyczna mikro-struktury 1.5 mm)
3. Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń numerycznych i badań eksperymentalnych można
wyprowadzić następujące wnioski dla elementów betonowych z betonu drobnoziarnistego:
● W celu uzyskania prawidłowego kształtu propagującej strefy lokalizacji w obliczeniach numerycznych należy uwzględnić mikrostrukturę materiału.
● Obliczona wytrzymałość, kształt i szerokość strefy lokalizacji są zgodne z przeprowadzonymi własnymi badaniami eksperymentalnymi dla długości charakterystycznej mikrostruktury równej 1.5 mm.
● W pierwszym etapie, zniszczenie podczas rozciągania powstaje w strefach przejściowych materiału trzy-fazowego. Strefy te mają znaczący wpływ na sposób zarysowania i wytrzymałość betonu.
● Kształt krzywych naprężenie-odkształcenie zależy od parametrów materiałowych przyjętych dla poszczególnych faz materiału oraz od losowego rozkładu ziaren kruszywa. Ostateczna wytrzymałość belki wzrasta
wraz ze wzrostem długości charakterystycznej, sztywności kruszywa, średniej wielkości ziarna kruszywa
i ze zmniejszaniem się szerokości strefy przejściowej. Może ona również wzrastać wraz ze wzrostem ilości
ziaren kruszywa. Ponadto zależy od kształtu ziaren kruszywa,
● Szerokość strefy lokalizacji rośnie wraz ze wzrostem długości charakterystycznej i zmniejszaniem ilości ziaren kruszywa w materiale. Może również rosnąć, jeżeli propaguje przez słabe ziarna kruszywa. Szerokość
strefy lokalizacji nie zależy od wymiarów, kształtu i losowego rozkładu ziaren kruszywa, szerokości strefy
przejściowej oraz wielkości nacięcia. Szerokość strefy lokalizacji nad nacięciem zmienia się od 2×lc do 4×lc
dla lc=1.5 mm. Jeśli lc=5 mm, szerokość obliczonej strefy lokalizacji nad nacięciem zmienia się od 2.8×lc do
3.5×lc.
● Obliczony numerycznie metodą MES przyrost szerokości strefy lokalizacji jest zbliżony do wyników
otrzymany w doświadczeniach metodą cyfrowej korelacji obrazu.
● Zachowanie betonu w obszarze osłabienia jest ściśle uzależnione od losowego rozkładu ziaren kruszywa,
długości charakterystycznej mikrostruktury, ilości, kształtu i sztywności ziaren kruszywa oraz szerokości
strefy przejściowej.
Modelowanie mikrostruktury materiału pozwala na lepsze zrozumienie mechanizmu powstawania strefy
lokalizacji. Takie podejście nie może obecnie być stosowane do analizy problemów inżynierskich ze względu
na bardzo długi czas obliczeniowy, zbyt małą wiedzę na temat właściwości fizycznych poszczególnych faz
modelu trzy-fazowego oraz nieznanego losowego rozkładu ziaren kruszywa. Problem powiązania długości
charakterystycznej z mikrostrukturą materiału wciąż pozostaje otwarty. Aby w sposób realistyczny opisać
cały proces zarysowania w betonie należy użyć połączonej metody ciągłej i nieciągłej.
Literatura:
[1] SKARŻYŃSKI Ł. and TEJCHMAN J. Calculations of fracture process zones on mesoscale in notched concrete beams subjected to threepoint bending, European Journal of Mechanics A/Solids, 29, 2010, pp.746–760.
[2] SKARŻYNSKI Ł., SYROKA E. and TEJCHMAN J. Measurements and calculations of the width of fracture process zones on the surface
of notched concrete beams, Strain, 47, s1, 2011, pp.319–322.
[3] MARZEC I., BOBIŃSKI J. and TEJCHMAN J. Simulations of crack spacing in reinforced concrete beams using elastic-plastic and damage
with non-local softening, Computers and Concrete, 4, 2007, pp.377–403.
II
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Środowisko obliczeniowe do analizy zagadnień
pól sprzężonych i procesów degradacji materiałów inżynierskich
Roman Putanowicz – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
Jerzy Pamin – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
1. Cel projektu
Celem realizacji projektu jest opracowanie nowoczesnego otwartego środowiska programowego do
analizy zagadnień wielofizykalnych materiałów inżynierskich metodami dyskretyzacyjnymi (przede
wszystkim MES) i wykonanie obliczeń wybranych, ważnych z inżynierskiego punktu widzenia, zagadnień
degradacji chemicznej i mechanicznej betonu. Środowisko to będzie umożliwiać analizę zagadnień pól
sprzężonych oraz analizę za pomocą zregularyzowanych modeli ośrodka ciągłego (np. gradientowej teorii plastyczności i uszkodzenia) i modeli ośrodka nieciągłego (np. technologia XFEM). Otrzymane oprogramowanie umożliwi prognozowanie ewolucji właściwości mechanicznych i zjawisk transportu w betonie, także stosunkowo łatwe dostosowanie celem wykorzystania do analizy innych i projektowania nowych materiałów do zastosowań w inżynierii lądowej przy zachowaniu wymagań podwyższonej trwałości
i bezpieczeństwa.
2. Założenia i wymagania odnośnie tworzonego oprogramowania
Opracowane środowisko programowe zostało nazwane FEMDK (Finite Element Method Development
Kit). Środowisko to ma umożliwiać specjalistom zajmującym się modelowaniem materiałów implementację
oraz testowanie modeli numerycznych, w taki sposób by ograniczyć nakład pracy związany z opanowaniem
informatycznej strony takich implementacji oraz złożoności stosowanych narzędzi. FEMDK ma w sposób
możliwie automatyczny i transparentny dla użytkownika rozwiązywać kwestie związane z instalacją narzędzi,
integracją struktur danych z programów i bibliotek, rozszerzaniem możliwości narzędzi i implementacją modeli numerycznych, weryfikacją oprogramowania. FEMDK powinno też ułatwiać wykonywanie typowych zadań związanych z modelowaniem geometrii, generacją siatek, postprocesingiem oraz wizualizacją danych.
Jedną z konsekwencji tego założenia jest potrzeba dostarczenia wybranych interfejsów w języku skryptowym
tak by na przykład można było szybko, posługując się notacją zbliżoną do matematycznej, zaimplementować
model numeryczny na poziomie punktu materialnego. Dopiero po upewnieniu się, że model jest zaimplementowany poprawnie, powinna być możliwość jego reimplementacji w języku C/C++ czy Fortran, gdyby implementacja w języku skryptowym okazała się mało wydajna.
Drugie kluczowe założenie to otwartość tworzonego środowiska, w tym sensie, że powinno zakładać minimum rzeczy na temat algorytmów, które będą za jego pomocą implementowane, jak i na temat sposobu implementacji. Na przykład, jeżeli chodzi o siatki MES, powinno dopuszczać się stosowanie siatek strukturalnych i nie strukturalnych, elementów symplektycznych i niesymplektycznych. Przejście od sformułowania wariacyjnego do równań MES powinno być możliwe zarówno przez automatyczną kompilację matematycznego opisu takiego sformułowania (automatyczne całkowanie w elementach) jak i przez bezpośrednie dostarczanie wymaganych macierzy i wektorów obliczonych na przykład analitycznie. Założenie to stawia bardzo
wysokie wymagania sposobowi implementacji struktur danych oraz algorytmów.
3. Przyjęta strategia implementacji
Z uwagi na ograniczone zasoby projektu z jednej strony, a z drugiej złożoność zagadnień (nieliniowa analiza pól sprzężonych) i ambitne założenia co do sposobu implementacji, przyjęto że FEMDK będzie budowane przy maksymalnym wykorzystaniu gotowych komponentów (bibliotek i programów). Podstawą implementacji FEMDK jest zatem wybór komponentów spełniających maksimum założeń, następnie integracja
tych komponentów w ramach jednolitego środowiska.
Najważniejsze komponenty
Model geometryczny – biblioteka CGM (Common Geometry Module)
● Reprezentacja siatek – biblioteka MOAB (Mesh Oriented dAta Base).
●
III
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Algorytmy MES – biblioteka GetFEM++. Dodatkowo możliwość weryfikacji przy pomocy programu Tochnog przerobionego na bibliotekę TochnogLib.
● Liniowa algebra – biblioteki GMM++, SuperLU, MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel sparse direct
Solver).
● Obliczenia adaptacyjne – biblioteka MAdLib (Mesh Adaptation Library)
● Generacja siatek – program Gmsh
● Postprocesing i wizualizacja – biblioteka VTK i program ParaView
● Interfejs skryptowy – Python
● Graficzny interfejs użytkownika – biblioteka Qt
● Ogólny format danych i funkcje I/O – biblioteka HDF5
● Zarządzanie kompilacją FEMDK – CMake
● Zarządzanie instalacją komponentów – program Dorsal
●
4. Podsumowanie
Na obecnym etapie prac FEMDK umożliwia analizę zagadnień niestacjonarnych dla sprzężonych pól termomechanicznych. Projekt można śledzić na stronie: https://femdk.L5.pk.edu.pl/femdk
IV
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Porównanie czułości jonizacyjnych i optycznych
czujek dymu dla spalania i rozkładu termicznego
różnych materiałów palnych
Waldemar Wnęk– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Przemysław Kubica– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Agata Domżał– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Dokonano porównania czułości poprzez pomiar czasu zadziałania wybranych rozwiązań jonizacyjnych
i optycznych czujek dymu dla spalania płomieniowego i bezpłomieniowego materiałów stosowanych do wykonania wyposażenia obiektów budowlanych.
Rysunek 1 Zależność czasu zadziałania czujek dymu jonizacyjnej, optycznej i jonizacyjnej w osłonie
przy spalaniu płomieniowym drewna dębowego.
Rysunek 2. Zależność czasu zadziałania czujek dymu optycznej, jonizacyjnej i optycznej w osłonie
przy spalaniu bezpłomieniowo drewna dębowego.
Charakterystyki przedstawiają zależność czasu zadziałania ze wskazaniem problemu braku zadziałania
optycznych czujek dymu dla spalania płomieniowego i szybkim zanikiem działania jonizacyjnych czujek dymu przy spalaniu bezpłomieniowym. Rozpoczęto poszukiwania rozwiązania, które pozwoli na ograniczenie
zastosowania jonizacyjnych czujek dymu przy spalaniu płomieniowym. W trakcie badań porównano czułość
jonizacyjnych i rozproszeniowych czujek dymu, w których zastosowano jako źródło promieniowania diodę
z zakresu ultrafioletu. Wyniki badań zostaną przedstawione w referacie.
Badania przeprowadzono w ramach POIG. 01.01.02-10-106/09-01 Pakiet 5.2.2
V