Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban

Az előadások a következő témára: "Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban"— Előadás másolata:

1 Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban Kovács Imre intézetigazgató –helyettes, tanszékvezető, főiskolai docens a Magyar Építész Kamara tagja, a Magyar Mérnöki Kamara tagja a fib Nemzetközi Betonszövetség Magyar Tagozatának tagja az Építéstudományi Egyesület Debreceni Csoportjának titkára „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

2 Az előadás felépítése Építőmérnöki tevékenység és feladatkörei
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Az előadás felépítése Építőmérnöki tevékenység és feladatkörei Mérnöki modellalkotás szintjei Modell kísérlettől a VEM-ig Differenciálegyenletek alkalmazása rúdszerkezetek stabilitásvizsgálatában Véges differenciák módszere és alkalmazása lineárisan változó intenzitású normálerővel terhelt konzol esetében VEM mint a tartószerkezeti tervezés mindennapi eszköze Összefoglalás „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

3 Építőmérnöki tevékenység
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Építőmérnöki tevékenység Szerkezetépítés Közlekedésépítés Közműépítés vízellátás, csatornázás, szennyviztisztitás, vízépítés magasépítés, mélyépítés út- és vasútépítés Geotechnika Geodézia speciális alapozások, földalatti műtárgyak, alagutak általános és ipari geodézia, térinformatika „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

4 Szerkezetépítési feladatok
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Szerkezetépítési feladatok „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

5 Modellalkotás szintjei
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Modellalkotás szintjei Numerikus szimuláció lineáris, nem lineáris vizsgálat Modell kísérlet valós léptékű nem valós léptékű Mérnöki modell statika, szilárdságtan, rugalmasságtan, dinamika Szerkezeti viselkedés Anyagjellemzők homogén, inhomogén, izotróp, anizotrop lineárisan rugalmas, nem lineárisan rugalmas, képlékeny, viszkózus, reológiai jellemzők Környezet terhek, hatások, tartóssági kérdések Mérethatás „size effect” „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

6 Modell kísérlet Jelenség és tapasztalat
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Modell kísérlet Jelenség és tapasztalat F F Dℓ Dℓ F F F d d F D F D „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

7 Mérnöki modell I. Kompozit anyag alkotóelem viselkedéseinek modelljei
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Mérnöki modell I. Kompozit anyag alkotóelem viselkedéseinek modelljei Cf fy ef p e Sf Sm ft e Sm e Cm em p fy e Sf ft Beton (Mátrix) Lineárisan rugalmas – tökéletesen rideg anyag Acélszálak (Szálerősítés) Lineárisan rugalmas – tökéletesen képlékeny anyag „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

8 Anyagra jellemző paraméter
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Mérnöki modell II. Kompozit anyag mechanikai modellje az alkotóelemek viselkedéseivel Cm M Cf ft fy emp efp e S Sm Sf Anyagra jellemző paraméter „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

9 sm = Cm (e – em p) - M (em p – ef p)
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Mérnöki modell III. Kompozit anyag makroszkopikus és parciális feszültségeinek függvényei a mechanikai modell erőfolyama alapján sm = Cm (e – em p) - M (em p – ef p) sf = Cf (e – ef p) + M (em p – ef p) S = Cm (e – em p) + Cf (e – ef p) „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

10 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Mérnöki modell IV. Kompozit anyag makroszkopikus és parciális feszültségeinek függvényei a mechanikai modell erőfolyama alapján fy Cm Cf K0 K1 K2 S e „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

11 Helmholtz féle energiafüggvény: Acélszálak (Szálerősítés)
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre 1-D Termodinamika Az általánosított (3-D) anyagmodell termodinamikai, energetikai alapja e e Cm em p ft Cf M ef p fy Beton (Mátrix) Kapcsolati modulus Helmholtz féle energiafüggvény: Acélszálak (Szálerősítés) Y = Cm ( e – emp ) M ( emp – efp ) Cf ( e – efp )2 1 2 Clausius-Duhem egyenlőtlenség: j dt = S de – dY ≧0 → j dt = sm demp + sf defp „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

12 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre 1-D Termodinamika Az M kapcsolati modulust a Maxwell szimmetria definiálja Cm + Cf = = S  e  2Y  e 2 Cm = = =  emp  sm  e  emp Cf = = =  efp  sf  e  efp M = = =  emp  efp „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

13 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre 3-D Termodinamika  VEM A termodinamikai, energetikai módszer segítségével az 1-D modell skalár paraméterei az általánosított 3-D modellben azok tenzoriális megfelelőivel azonosítjuk „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

14 Problémamegoldás Optimális, azaz gazdaságos megoldás keresése
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Problémamegoldás Optimális, azaz gazdaságos megoldás keresése Szerkezet összetettsége Megoldhatóság Megoldási idő Variálhatóság Megbízói igények Numerikus módszerek alkalmazása „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

15 Megoldási módszerek Differenciálegyenletek Véges differenciák módszere
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Megoldási módszerek Differenciálegyenletek Megoldási idő  csak speciális területeken alkalmazott a numerikus megoldások sem kellően pontosak „állatorvosi ló” típusú feladatokra alkalmazható Véges differenciák módszere  felületszerkezetek esetén használható, korlátok között a gyakorlati feladatok szintjén pontosnak tekinthető egyedi problémákra alkalmas nagy munkaigénnyel ad megoldást VEM Probléma összetettsége általános érvényű módszer a pontosság az elemszám és az elemtulajdonságok függvénye „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

16 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet I. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása F y x Mx „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

17 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet II. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása F y x Mx „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

18 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet III. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása F y x Mx „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

19 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet IV. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása F y x Mx „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

20 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet V. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása F y x Mx L 1. Kerületi feltétel: 2. Kerületi feltétel: „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

21 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Differenciálegyenlet VI. Mindkét végén csuklósan megtámasztott síkbeli nyomott rúd kihajlása x Megoldások: F F F a) y akkor k és F bármilyen értékű lehet a rúd egyenes marad (triviális meg.) L Mx x b) y F F F „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

22 A pontok távolsága dx. A függvényértéket Taylor-sorral közelítjük:
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Véges differenciák módszere I. Az ismeretlen függvénynek csak egyes előirt pontokban felvett értékeit határozzuk meg, közelítően. Ezen értékekből a differenciálegyenletben szereplő differenciálhányadosokat differenciahányadosokkal közelítjük. Keressünk közelítő összefüggést az f függvény egyik kitüntetett pontjában. A pontok távolsága dx. A függvényértéket Taylor-sorral közelítjük: „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

23 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Véges differenciák módszere II. Az ismeretlen függvénynek csak egyes előirt pontokban felvett értékeit határozzuk meg, közelítően. Ezen értékekből a differenciálegyenletben szereplő differenciálhányadosokat differenciahányadosokkal közelítjük. A két egyenlet különbségéből kapjuk az első derivált közelítését: A két egyenlet összegéből pedig a második derivált közelítését: „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

24 EA = konst. (szerkezetre jellemző állandó)
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Véges differenciák módszere III. Lineárisan változó intenzitású normálerővel terhelt konzol vizsgálata p(x) = ax EA = konst. (szerkezetre jellemző állandó) x, u Három valódi és egy fiktiv pont felvételével: 1 2 3 x, u „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

25 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Véges differenciák módszere IV. Lineárisan változó intenzitású normálerővel terhelt konzol vizsgálata 1 2 3 x, u Differenciaegyenlet az 1. pontra felírva: Differenciaegyenlet a 2. pontra felírva: „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

26 „Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban”
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Véges differenciák módszere IV. Lineárisan változó intenzitású normálerővel terhelt konzol vizsgálata Figyelembe véve a peremfeltételeket az alábbi lineáris egyenletrendszerre és megoldására jutunk: Eltérés: + 9% Eltérés: + 12,5% „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

27 Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása I.
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása I. „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

28 Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása II.
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása II. „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

29 Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása III.
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása III. „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

30 Összefoglalás Modell kísérlet Mérnöki modellalkotás
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Összefoglalás Modell kísérlet Mérnöki modellalkotás Numerikus modellalkotás Problémamegoldási módszerek és szintek Differenciálegyenletek Véges differenciák módszere Végeselem módszer gyakorlati alkalmazása Távlati tervek „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.

31 Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban
„Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban” Kovács Imre Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban Kovács Imre intézetigazgató –helyettes, tanszékvezető, főiskolai docens a Magyar Építész Kamara tagja, a Magyar Mérnöki Kamara tagja a fib Nemzetközi Betonszövetség Magyar Tagozatának tagja az Építéstudományi Egyesület Debreceni Csoportjának titkára „ Debreceni Egyetem Informatikai Intézet 2. Gyires Béla Informatikai Nap” május 14.