FraMePID-3PB

David Lehký
Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, VUT v Brně
e-mail: lehky.d(zavinac)fce.vutbr.cz

Základní informace

Program FraMePID-3PB (Fracture Mechanical Parameters IDentification - 3-Point Bending) slouží k identifikaci vybraných lomově-mechanických parametrů modelu betonu na základě výsledků lomového experimentu trámce s centrálním zářezem zatěžovaného v tříbodovém ohybu. Identifikace je provedena s využitím výpočtového MKP modelu trámce. Ten je vytvořen v programu ATENA 2D [1]. Beton je modelován pomocí materiálového modelu 3D Nonlinear Cementitious 2. V programu je implementována metoda inverzní analýzy založená na umělých neuronových sítích v kombinaci se stochastickou analýzou. Teoretický rámec a podrobný popis metody je možné najít v [2].

Práce s programem

1) Načtení dat

První krokem inverzní analýzy je načtení experimentálně získaných dat - záložka Basic data (základní data). Data jsou načítána z textového souboru. Je možné volit mezi dvěma formáty vstupního souboru:

  1. deflection - load, soubor obsahuje dva sloupce - průhyb měřený uprostřed rozpětí a zatížení trámce
  2. time - load - deflection, soubor obsahuje tři sloupce - čas měření, průhyb a zatížení
Surová data jsou vyobrazena v grafu zatížení - průhyb. Následně je provedeno jejich zpracování pro potřeby inverzní analýzy a grafického vyobrazení. To představuje zejména "vyčištění" dat, kdy jsou tisíce záznamů redukovány na cca 100 bodů. Z "vyčištěných" dat je pak proveden výpočet vstupů inverzní analýzy, tj. síly při deformaci 0,01mm, síly odpovídající maximální únosnosti a lomové práce.

Testovací rám

Obrázek 1: Volba formátu dat ve vstupním souboru, jejich načtení a zpracování pro následnou inverzní analýzu

2) Identifikace parametrů

S připravenými vstupními daty je možné na záložce Parameters identification (identifikace parametrů) provést vlastní identifikaci materiálových parametrů. Jelikož je použita metoda založená na umělých neuronových sítích, jsou v této fázi předložena data neuronové síti jako vstupní signál, který se postupně šíří jednotlivými spojovými cestami od vstupní vrstvy sítě až po její výstupní vrstvu. Zde jsou pak získány požadované parametry materiálového modelu betonu - modul pružnosti, tahová pevnost a lomová energie. Proces identifikace se spustí tlačítkem Identify parameters.

V programu je implementována již vytvořená a naučená neuronová síť. Její struktura je patrná z obrázku 2. Síť byla vytvořena a naučena pro relativně širokou škálu pevností betonu. Rozsah použití je pro betony pevnostních tříd cca C15/20 až C70/85.

Získané hodnoty parametrů je možné exportovat do schránky operačního systému (zde pouze čísla) pro pozdější vložení do libovolného programu či souboru; dále do textového souboru pro jejich archivaci, či do souboru .ccm, což je soubor programu ATENA obsahující popis použitých materiálů (zde se vedle identifikovaných parametrů exportují i všechny ostatní parametry materiálového modelu 3D Nonlinear Cementitious 2, a to ve svých výchozích hodnotách).

Testovací rám

Obrázek 2: Vlastní identifikace parametrů a možnost jejich následného exportu

Testovací rám

Obrázek 3: Příklady dat exportovaných do a) textováho souboru, b) do souboru .ccm

3) Verifikace

Pro potřeby verifikace identifikovaných parametrů je s programem dodáván model trámce v programu ATENA 2D (soubor model.cc2). Pro tuto fázi musí mít uživatel na PC nainstalován tento program. Načtení aktuálních materiálových parametrů je v programu ATENA 2D možné provést skrze import souboru .ccm, který lze po úspěšné identifikaci z programu FraMePID-3PB exportovat, viz výše. Numericky získanou odezvu trámce ve formě diagramu zatížení - průhyb lze následně porovnat s experimentem např. v některém tabulkovém procesoru.

V další verzi programu FraMePID-3PB je plánována implementace rozhraní pro přímou komunikaci s programem ATENA 2D. V rámci verifikace pak budou přímo z prostředí FraMePID-3PB předány identifikované parametry do programu ATENA 2D, spuštěn výpočet a výsledná odezva přenesena zpět do programu FraMePID-3PB, kde bude následně graficky srovnána s odezvou experimentální.

Aplikace

Navržená metodologie identifikace materiálových parametrů byla spolu s programem FraMePID-3PB aplikována na několik druhů zkoušených betonů. Jednalo se o klasické betony tříd C20/25, C25/30, C30/37, a dále několik betonových směsí s obsahem popílku. Bližší informace lze nalézt v [3-6].

Poděkování

Program FraMePID-3PB byl vyvinut za podpory projektu č. TA01011019 Technologické agentury České republiky (TAČR).

Reference

[1] Červenka, V., Jendele, L., Červenka, J. ATENA Program Documentation – Part 1: Theory. Cervenka Consulting, Prague, 2007, http://www.cervenka.cz.
[2] Novák, D., Lehký, D. ANN Inverse Analysis Based on Stochastic Small-Sample Training Set Simulation. Journal of Engineering Application of Artificial Intelligence, 19, 2006, 731-740.
[3] Lehký, D., Keršner, Z., Novák, D. Determination of statistical material parameters of concrete using fracture test and inverse analysis based on FraMePID-3PB tool. In: 5th International Conference on Reliable Engineering Computing, Brno, Czech Republic, 2012, 261-270.
[4] Šejnoha, M., Brouček, M., Novotná, E., Lehký, D., Frantík, P., Keršner, Z. Material Parameters of Cement and Alkali Activated Fly Ash Concrete Mixtures Laboratory Measurements and Numerical Simulation. 18th International Conference Engineering Mechanics 2012, Svratka, Czech Republic, 2012, 1287–1292.
[5] Keršner, Z., Lehký, D., Novák, D., Kucharczyková, B., Frantík, P., Řoutil, L. Fracture energy tests: specimens I (C30/37 H), II (C25/30 B3), III (C25/30 XC1 GK16), IV (C20/25 XC1 GK16). Report No. 20110727, Ústav stavební mechaniky a Ústav zkušebnictví, Fakulta stavební, VUT v Brně, Česká republika, 2011.
[6] Lehký, D., Keršner, Z., Kucharczyková, B., Šimonová, H., Frantík, P., Daněk, P., Bedáň, J. Identifikace materiálových parametrů těles z kompozitů FAC1, FAC1-O, S343. Zpráva 20120820, Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, VUT v Brně, Brno, Česká republika, 2012.

Dostupnost

Pro získání programu kontaktujte autora, viz kontaktní údaje výše.