Original title:
Hledání tvaru skořepinových konstrukcí
Translated title:
Form finding of shell structures
Authors:
Musil, Jiří ; Bažant, Zdeněk (referee) ; Vítek,, Jan (referee) ; Stráský, Jiří (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2017
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební Abstract:
[cze][eng]
Tématem předkládané disertační práce je návrh betonových skořepinových konstrukcí se zaměřením na hledání jejich optimálního tvaru. Optimálním tvarem je tvar, při kterém, pro dané zatížení, obvykle vlastní tíhu, nevznikají v konstrukci žádná významná ohybová namáhání, konstrukce se nachází v tzv. membránovém stavu. Inspirací pro tuto práci je činnost švýcarského inženýra Heinze Islera, který vyvíjel tvary skořepinových konstrukcí pomocí modelových zkoušek vhodně zatížených, ohybově netuhých membrán. Na základě inverze výslednicového tvaru navrhoval skořepinové konstrukce o velkých rozpětích, které svoji tíhu přenášely téměř výhradně membránovými silami. V této práci je prezentováno numerické řešení výše zmíněných modelových zkoušek pomocí programu Midas Civil. Na příkladu průvěsu lana jsou demonstrovány základní principy metody. Numericky nalezené tvary jsou porovnány s analytickým řešením průvěsové křivky lana. Na základě numericky nalezených tvarů je následně navržena skořepina a je popsáno její namáhání při zatížení vlastní tíhou, zejména ve vztahu k membránovému působení. V další části jsou získané znalosti a postupy použity pro návrh tří relativně komplikovaných skořepinových konstrukcí. Každá konstrukce je staticky analyzována a je popsáno její statické působení. Studovány jsou konstrukce s dokonale tuhými, respektive pružnými podporami, které simulují reálné chování podpor. V závěru práce jsou výsledky statické analýzy vybrané skořepiny experimentálně ověřeny na fyzikálním modelu v měřítku 1:55,56. Model je vystavěn metodou 3D tisku. V práci je popsána použitá modelová podobnost, zdokumentován proces návrhu a výroby modelu a provedení vlastního experimentu. Uskutečněné zatěžovací zkoušky potvrdily optimální návrh skořepinové konstrukce a platnost numerické metody hledání jejich tvaru. Prezentované principy a postupy je možné, při dostatečné míře odpovídajících znalostí, použít v inženýrské praxi.
The theme of this doctoral thesis is the design of concrete shell structures with the focus on finding their optimal shape. The optimal shape of a concrete shell is the shape in which for a given load (usually the dead weight of the structure) no significant bending moments are generated in the shell and the structure is in the so-called membrane state. The inspiration for this thesis is the work of Swiss engineer Heinz Isler, who developed the shapes of shell structures using model tests of appropriately loaded flexible membranes. He developed the shell structure for large spans by inverting the resultant shape, which carried its weight almost entirely via membrane forces. The numerical solution of the above experiments using Midas Civil is presented herein. The basic principles of the method are demonstrated on the example of sagged cable. The numerically found shapes are compared with the analytical solution. A shell is designed based on the numerically found shapes and its stress response to dead load is described, particularly in relation to the membrane action. In the next part, the acquired knowledge and methods were used to design three relatively complicated shell structures. Each structure was statically analysed and its static behaviour was described. Structures with perfectly rigid or flexible supports, which simulate real behaviour of the supports, were studied. In the final phase, the results of static analysis of the selected shell were experimentally verified on a physical model in a scale of 1: 55.56. The model has been built using 3D printing. The thesis describes the use of a modelling similarity, the model design, the production process, and the experiment. The load test confirmed the optimal design of the shell structure and the validity of the numerical method for finding their shapes.
Keywords:
3D printing; concrete shell; FDM.; form finding; membrane state; model analogy; physical experiment; resultant shape; Shell structure; static analysis; 3D tisk; betonová skořepina; FDM.; fyzikální experiment; hledání tvaru; membránový stav; modelová podobnost; Skořepinová konstrukce; statická analýza; výslednicový tvar
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/136979
guest ::
