Materiálově nelineární řešení prutových konstrukcí

Abstract

Předložená disertační práce se zabývá řešením nosníkových a rámových konstrukcí s uvážením materiálové nelinearity. Použitou výpočtovou metodou je metoda konečných prvků. Cílem práce bylo odvodit a otestovat konečně prvkový nosníkový element s uvážením materiálové nelinearity. Následnou detailní analýzou předloženého problému byla sestavena celá skupina formulací nosníkového elementu. Část výsledků této práce byla v několika podobách implementována do komerčních software pro praktické užití projektanty, což bylo hlavním cílem práce. V teoretické části je představen nosníkový element, který se zaměřuje na řešení napjatosti na masivních průřezech. Z hlediska topologie se jedná o klasický liniový nosníkový konečný prvek s dvěma uzly. V každém z uzlů je definováno šest stupňů volnosti pro translace a rotace plus sedmý stupeň pro deplanaci průřezu při kroucení. Na průřezu jsou uváženo namáhání od axiální síly, ohybových momentů, krouticího momentu, posouvajících sil a případně bimomentu pro vázaný krut. Bylo vytvořeno několik variant formulací podle zahrnutí složek namáhání do materiálové nelinearity a podle způsobu numerické integrace. V práci je diskutováno zahrnutí geometrické nelinearity a výpočet požární odolnosti. Veškeré výše popsané formulace byli testovány na prototypech jak je uvedeno v aplikační části. Zde je také popsán obecný postup, architektura a použité technologie pro implementaci poznatků z teoretické části do komerčních konečně prvkových systémů. V práci je ukázána implementace plasticity na skořepinách, výpočtu průřezových charakteristik a napětí na průřezu, implementace materiálově nelineárního nosníkového elementu a modul pro požární odolnost sloupu. Výše uvedené implementace teoretických závěrů jsou hlavními výstupy disertační práce. Tyto implementace jsou dostupné v tisícovkách instalací po celé Evropě, kde jsou využívány při projekci významných konstrukčních celků.

The dissertation deals with solution of beam and frame structure considering material nonlinearity. The finite elements method (FEM) was used as calculation method. The objective of the dissertation was to develop and test finite beam element considering material nonlinearity. A detailed analysis of the problem provided a group of formulations of beam element. Part of the dissertation´s results has been, in several forms, implemented in commercial software. Beam element focused on solution of stress over solid cross sections is introduced in the theoretical part. In terms of topology it is a classical prismatic beam element with two nodes. Six degrees of freedom for translations and rotations are defined in each node plus 7-th degree of freedom for warping function from torsion. Load form axial force, bending moments, primary torsion, shear forces and eventually bimoment for secondary torsion were considered in cross section. Several variants of formulations were created according to inclusion of loading components into material nonlinearity and according to numeric integration method. Inclusion of geometric nonlinearity and fire resistance calculation are discussed in the dissertation. The above mentioned formulations were tested on prototypes as described in the application part which also provides information on the general procedure, architecture and technologies used for implementation of knowledge from the theoretical part into commercial FEM software. The dissertation shows implementation of plasticity for shell, solutions of cross section characteristics and stress on cross section, implementation of beam element with material nonlinearity and module for fire resistance of column. The above mentioned implementations of theoretical conclusions are the main outputs of the dissertation. These implementations are available in thousands of installations throughout Europe where being used at projection of significant constructions.