Statická a dynamická analýza pravouhlých nádrží [vedanadosah.sk]

Nárast životnej úrovne a neustály tlak na zlepšenie kvality životného prostredia spôsobujú stále častejší záujem o trvale udržateľný rozvoj Zeme. Svoj príspevok k tejto problematike prináša aj Ing. Lenka Uhlířová, Stavebná fakulta Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (Katedra stavebnej mechaniky) vo svojom projekte Statická a dynamická analýza pravouhlých nádrží.

Nádrže sa podľa nej v súčasnosti využívajú na uskladnenie rôznych látok a produktov. „V podobe síl sa využívajú napríklad v poľnohospodárstve a výrobe, kde sa v nich môže skladovať sypký materiál ako zrno, múka, ale aj cement. V priemysle môžeme takto uskladniť kvapalné a plynné látky. Najčastejšie sú využívané ako zásobníky pitnej vody, nádrže na úpravu odpadovej vody, ale aj na uskladnenie najrôznejších ropných a chemických tekutín, ktoré sú často vysoko toxické.“
Riešiteľka projektu je presvedčená, že pravouhlé nádrže sa pre svoju pomerne malú priestorovú náročnosť môžu použiť aj ako zásobníky požiarnej vody či sprinklerove nádrže. „Pravouhlé nádrže sú dodnes málo preštudované, ale majú veľké množstvo výhod. Významnú časť zaťaženia tvorí práve náplň nádrže. Tá má významný vplyv nielen pri statickom pôsobení, ale hlavne pri dynamických účinkoch. Je potrebné zistiť optimálny spôsob riešenia, čo pri projektovaní môže ušetriť nielen čas, ale aj financie investora.“
Cieľom tohto projektu je prispieť k lepšiemu poznaniu v oblasti pravouhlých nádrží a riešeniu ich statického a dynamického pôsobenia. Ing. Lenka Uhlířová sa tiež snaží o optimalizáciu návrhu pravouhlých nádrží pre využitie v praxi a vplyv fluidných prvkov na presnosť výpočtu, analýzu vplyvu zemetrasenia na nádrž, ale aj porovnanie výsledkov numerických modelov pravouhlých nádrží, vytvorených pomocou softvérov ANSYS a RFEM, s výsledkami experimentálnych meraní. Publikáciou výsledkov by chcela zvýšiť povedomie o tejto problematike, nakoľko v minulosti bola podceňovaná.

Projekt Statická a dynamická analýza pravouhlých nádrží patrí medzi projekty, ktorým bol v tomto roku udelený grant Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (STU).
Ako ďalej pokračuje jeho riešiteľka, železobetónové pravouhlé nádrže sa využívajú hlavne pre objemy 50 až 50 000 m3. Keď sa porovnajú valcové a kvádrové nádrže, zistí sa, že steny pravouhlých nádrží sú vo vodorovnom smere namáhané staticky nepriaznivejšie vplyvom kombinácie ohybu a ťahu. Najkritickejším miestom sú rohy. Netreba však zabúdať, že aj kvádrové nádrže majú svoje prednosti, ktoré sa dostávajú do popredia hlavne pri veľkokapacitných nádržiach (nad 1 500 m3), pripomína Ing. Lenka Uhlířová. Patria sem: lepšie využitie stavebného priestoru, jednoduchšie debniace práce a zastrešenie, menšia citlivosť na jednostranne pôsobiace zaťaženie, pravidelné rozmiestnenie podperných prvkov pre stropnú konštrukciu.
„Podľa pôdorysných rozmerov sa určí vnútorné riešenie nádrže. Pri rozsiahlejších nádržiach vo vnútri nájdeme aj vnútorné podporné rámy (nosníky a stĺpy). Nádrže môžu byť navrhnuté ako jednokomorové alebo viackomorové, odporúča sa ale dodržiavať pomer strán pôdorysu jednej komory 4:3. Na výstavbu veľkých typizovaných nádrží je vhodné využiť prefabrikované prvky. Hlavnými konštrukčnými prvkami sú steny, dno a strop. Steny bývajú konštantnej hrúbky, ale pri väčších výškach sa zvyknú používať rebrá.“
V rámci prvej časti práce Ing. Lenka Uhlířová preštudovala veľké množstvo domácej a zahraničnej literatúry venujúcej sa statike a dynamike nádrží. Po preštudovaní dostupnej literatúry začala vytvárať konečno-prvkový model. Nádrž bola modelovaná v programoch RFEM a ANSYS. Oba tieto programy pracujú pomocou metódy konečných prvkov (MKP). Riešenou nádržou je nadzemná, železobetónová, monolitická, otvorená, kvádrová nádrž (s pôdorysom tvaru obdĺžnika). Základné pôdorysné rozmery nádrže sú 11 x 7,5 m a jej výška je 4,5 m. Náplňou je voda, ktorá siaha do výšky 4 m.

Najprv bolo potrebné spraviť statickú analýzu konštrukcie. V prvej fáze bol v oboch programoch použitý hydrostatický tlak tvorený hydrostatickým trojuholníkom. Dno nádrže bolo zaťažené konštantným plošným zaťažením. V programe ANSYS bol vytvorený aj model konštrukcie nádrže, kde bol hydrostatický trojuholník nahradený elementmi tvaru kocky typu FLUID80 – modelovanie vody. Riešenie ukázalo dobrú využiteľnosť oboch spôsobov zohľadnenia statického pôsobenia vody na nádrž. „Výsledky dosahujú výbornú zhodu s maximálnou odchýlkou. Použitie programu ANSYS, ako aj fluidných prvkov je v praxi často príliš zložité. Pri zohľadnení statického pôsobenia vody je pre zjednodušenie práce možné používať hydrostatický trojuholník a presnosť riešenia bude vyhovujúca,“ uvádza riešiteľka.
Nasledovala dynamická analýza vodnej nádrže. V programe RFEM bolo možné rátať iba frekvencie pre prázdnu nádrž a pre nádrž naplnenú vodou, kde voda bola nahradená hmotou v uzloch. V programe ANSYS boli pre každý typ nádrže vyrátane prípady pre prázdnu nádrž a pre nádrž naplnenú vodou, ktorú už je v tomto programe možné zohľadniť dvomi spôsobmi. V prvom bola voda nahradená hmotou v uzloch (rovnako ako v programe RFEM) a v druhom bola voda modelovaná priamo cez fluidné prvky.
Porovnávané ale neboli len frekvencie získané z jedného druhu modelu vytvoreného v oboch programoch (prázdna nádrž, nádrž s hmotami). Tieto výsledky dosahovali takmer dokonalú zhodu, s maximálnou odchýlkou 0,07 %.
„Vzájomne sa porovnávajú aj hodnoty frekvencií nádrže s hmotnými bodmi a nádrže s fluidnými prvkami. V tomto porovnaní vidíme mierne rozdiely vo výsledkoch. Je preto nutné zdôrazniť, že pomocou modelu, kde náplň nádrže nenahradzujeme len zaťažením, resp. hmotou v uzloch, môžeme získať rozdielne výsledky, a preto by sme ich nemali v praxi zanedbávať a ako výstup z programov prevziať najnepriaznivejšie výsledky.“

Pre získanie výsledkov z experimentu, potrebných na porovnanie s numerickou časťou by Ing. Lenka Uhlířová rada spolupracovala so Strojníckou fakultou STU, keďže majú potrebné prístrojové vybavenie.
Účasť na konferenciách a publikácia výsledkov v časopisoch je podľa nej vhodná aj na vzájomnú výmenu poznatkov a prepojenie teoretickej časti s experimentálnou. „Výstupom budú namerané a vyrátané hodnoty, ktoré by som chcela publikovať prostredníctvom odborných článkov a rozšíriť tak doteraz známe poznatky o nové, hlavne z oblasti hydrodynamiky pravouhlých vodných nádrží.“
Riešiteľka projektu ešte dodáva, že by rada nadviazala kontakt s niektorou so slovenských a českých katedier, ktorá by jej umožnila využiť jej laboratórne vybavenie na realizáciu experimentu, aby bolo možné výpočty porovnávať s výsledkami experimentálnych meraní. „Optimálne by bolo, ak by sa experiment mohol realizovať v spolupráci so Strojníckou fakultou STU v Bratislave.“

*********************************************
Rektor STU Robert Redhammer udeľoval granty mladým vedcom už po 9. raz. Každý z podporených mladých vedcov získal príspevok vo výške tisíc eur. Odovzdávanie grantov sa uskutočnilo v Aule D. Ilkoviča začiatkom mája 2018. Granty si prevzali mladí vedci zo všetkých fakúlt Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, najsilnejšie zastúpenie má Stavebná fakulta (SvF) či Fakulta chemickej a potravinárskej technológie (FCHPT).
Rektor STU Robert Redhammer vysvetlil, že univerzitný grantový program pre mladých je „školou“ písania úspešných projektov a vyzýva riešiteľov, aby sa postupne uchádzali o národné a medzinárodné granty a nadväzovali kontakty s výskumnými kolektívmi v zahraničí. Na tento grantový program nadväzuje na STU ďalší pre skúsenejších vedcov – Grantový program na podporu excelentných tímov mladých výskumníkov. STU finančne odmeňuje aj najlepšie vedecké publikácie a aj tímy, ktoré sa zapájajú do medzinárodných konzorcií a uchádzajú sa o medzinárodné granty.
Odborný garant textu a foto poskytla: Ing. Lenka Uhlířová, Stavebná fakulta Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (Katedra stavebnej mechaniky)
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ

 

[vedanadosah.sk 08/05/2018]
Link: http://vedanadosah.cvtisr.sk/staticka-a-dynamicka-analyza-pravouhlych-nadrzi