FRCID-4PB

David Lehký, Martin Lipowczan, Radomír Pukl
Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, VUT v Brně
Červenka Consulting, Praha
e-mail: lehky.d(zavinac)fce.vutbr.cz

Základní informace

Program FRCID-4PB (Fibre-Reinforced Concrete IDentification - 4-Point Bending) slouží k identifikaci vybraných materiálových parametrů modelu vysokohodnotného drátkobetonu na základě výsledků laboratorní zkoušky trámce bez zářezu zatěžovaného ve čtyřbodovém ohybu. Nominální rozměry trámce jsou 100 × 100 × 500 mm, vzdálenost podpor je 300 mm a vzdálenost zatěžujících sil je 100 mm, viz Obr. 1.

Trámec pro čtyřbodový ohyb

Obrázek 1: Schéma vzorku pro zkoušku ve čtyřbodovém ohybu trámce bez zářezu

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 User. Model poškozování betonu v tahu je založen na nelineární lomové mechanice v kombinaci s metodou šířky pásu trhlin a konceptem rozetřených trhlin. Hlavními materiálovými parametry jsou zde pevnost betonu v tahu a tvar funkce změkčení (křivky charakterizující velikost otevření trhliny v závislosti na zbytkovém tahovém napětí). Navržená funkce pro co nejvěrnější vystižení fáze změkčení studovaného kompozitu je uvedena na Obr. 2. Její tvar se snaží vystihnout jednotlivé fáze porušování drátkobetonu, jako jsou dosažení únosnosti cementové matrice, zpožděná aktivace vláken v kompozitu či další nárůst únosnosti kompozitu s aktivovanými vlákny po vyčerpání únosnosti samotné matrice. Tvar funkce je vedle tahové pevnosti popsán dalšími čtyřmi parametry C1–C4, jak je patrné z Obr. 2.

Funkce tahového změkčení

Obrázek 2: Navržená funkce tahového změkčení studovaného kompozitu

V programu je implementována identifikační metoda založená na umělých neuronových sítích v kombinaci se stochastickou analýzou. Teoretický rámec a podrobný popis metody je možné najít v [2, 3]. Při tvorbě a nastavení výpočtového modelu trámce zkoušeného ve čtyřbodovém ohybu byla použita sada pěti referenčních experimentálních diagramů zatížení–průhyb získaných v laboratořích společnosti Dura Technology Sdn Bhd, viz Obr. 3.

Experimentální diagramy

Obrázek 3: Experimentální diagramy zatížení vs. průhyb ze zkoušky ve čtyřbodovém ohybu

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 0,03mm, síly při dosažení mezní únosnosti matrice (první vrchol diagramu), síly odpovídající maximální únosnosti a deformace odpovídající maximální únosnosti.

FRCID-4PB 1

Obrázek 4: 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 studovaného kompozitu - modul pružnosti, tahová pevnost a parametry C2, C3 modelu změkčení. Zbývající dva parametry pak zůstávají konstantní s hodnotami C1 = 0,8 a C4 = 0,15. Proces identifikace se spustí tlačítkem Identify parameters.

V programu je implementována již vytvořená a naučená neuronová síť. Její struktura je patrná z obrázku 5. Síť byla vytvořena a naučena pro vláknové kompozity s odezvou blízkou experimentální odezvě na Obr. 4. Pro jiné odezvy či výrazně odlišné hodnoty jejích jednotlivých parametrů je nezbytné provést doučení neuronové sítě, případně implementovat novou samostatnou neuronovou síť, přímo cílenou na studovaný kompozit.

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 User, a to ve svých výchozích hodnotách).

FRCID-4PB 1

Obrázek 5: Vlastní identifikace parametrů a možnost jejich následného exportu

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.

Aplikace

Navržená metodika identifikace materiálových parametrů byla spolu s programem FRCID-4PB aplikována na vybrané vzorky z UHPFRC kompozitu vyvíjeného malajskou firmou Dura Technology Sdn Bhd. Získané parametry spolu se srovnáním experimentálních a simulovaných odezev vzorků s identifikovanými parametry bude možné najít v chystané publikaci na konferenci BEFIB 2020.

Poděkování

Program FRCID-4PB byl vyvinut za podpory projektu IdeMaS č. FV30244 Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky v rámci výzkumného programu MPO Trio.

Reference

[1] Červenka, V., Jendele, L., Červenka, J. ATENA Program Documentation – Part 1: Theory. Cervenka Consulting, Prague, 2013, 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. FraMePID-3PB software for material parameters identification using fracture test and inverse analysis. Advances in Engineering Software, 72, 147-154.

Dostupnost

Pro informaci o možnosti získání programu FRCID-4PB kontaktujte autora, viz kontaktní údaje výše.