Oblasti výzkumu

Výzkumné skupiny v oblasti
Pokročilé stavební konstrukce a dopravní stavby

Umělá inteligence a virtuální realita ve stavebnictví

Umělá inteligence a virtuální realita ve stavebnictví

Vedoucí: doc. Mgr. Tomáš Apeltauer, Ph.D.

Činnost skupiny je zaměřena na integraci moderních technologií a jejich aplikaci napříč všemi oblastmi stavebnictví, zejména v oblasti simulací, umělé inteligence (AI) a technologií umělé reality ve všech jejích formách (virtuální, rozšířená a smíšená realita).
V oblasti modelování a AI se skupina soustředí na automatizaci procesů, využití strojového učení, optimalizační algoritmy, simulace a generativní design. Technologie umělé reality jsou využívány především jako nástroje pro vizualizaci a kontrolu stavebních projektů, stejně jako pro sběr dat a jejich následné zpracování v systémech založených na AI.

Skupina nabízí aplikaci výše uvedených technologií i v komerční sféře – například pro simulace požáru, evakuace či pohybu osob v objektech s vysokou návštěvností, nebo pro převod projektovaných či reálných staveb do detailní digitální podoby. Tyto digitální modely jsou dále využívány pro vizualizaci, prezentaci a řízení stavebních procesů v souladu s metodikou BIM.

Aplikačně orientovaný výzkum je zaměřen na vývoj efektivních nástrojů a metodik, které umožňují nejen praktické využití uvedených technologií, ale také jejich další rozvoj, plnou integraci do procesů ve stavebnictví a související vědeckovýzkumnou publikační činnost.

Výsledky

Geomateriály

Vedoucí: prof. RNDr. Lukáš Krmíček, Ph.D.

Výzkumná skupina se zaměřuje na kombinovaný výzkum mineralogických, geochemických (včetně radiogenních a neradiogenních izotopů), fyzikálně‑mechanických a termomechanických vlastností geomateriálů. Studium kompozičních vlastností probíhá ve spolupráci s předními českými (např. Geologický ústav AV ČR, v. v. i.) i zahraničními (např. GeoForschungsZentrum Potsdam) institucemi. Pro stuidum fyzikálně‑mechanických vlastností má skupina k dispozici vlastní laboratoř mechaniky hornin. Hlavním prvkem pro testování geomateriálů je multifunkční přístrojová sestava Advantest Rock pro automatické zkoušky v jednoosé a trojosé (triaxiální) napjatosti, kterou dodala italská společnost CONTROLS. Skládá se ze dvou zatěžovacích rámů s kapacitou 500 kN a 3000 kN ovládaných servo-hydraulickou jednotkou. Druhá servo-hydraulická jednotka zajišťuje ovládání triaxiální komory.

Výsledky

Výpočetní a experimentální geotechnika

Vedoucí: doc. Ing. Lumír Miča

Výzkumné aktivity skupiny jsou zaměřeny na experimentální a počítačové modelování prvků speciálního zakládání staveb, vývoj výpočetních nástrojů, materiálových modelů zemin a hornin a monitoring geotechnických konstrukcí. Z prvků speciálního zakládání staveb se výzkumná skupina v současné době zaměřuje na zkoumání chování, optimalizaci a navrhování kotev a pilot/energopilot. Pro zkoumání mechanického chování prvků speciálního zakládání staveb je výzkum věnován i možnosti jeho monitorování s využitím optovláknových senzorů. Po teoretické stránce je implementována metoda přenosových funkcí pro predikci jejich chování.
V oblasti matematického modelování se výzkumná skupina podílí na vývoji materiálových modelů pro komplexní a pokročilou analýzu geotechnických a hydrogeologických úloh v návaznosti na stavební konstrukce. Součástí jejich vývoje je experimentální laboratorní testování a ověřování parametrů zemin, hornin a materiálů na bázi silikátových kompozitů pro 3D tisk.

LNSD – Laboratory for Numerical Structural Design

LNSD – Laboratory for Numerical Structural Design

Vedoucí: Ing. Martin Vild, Ph.D.

Web výzkumné skupiny

Výzkumná skupina se zaměřuje na pokročilé navrhování spojů ocel-ocel a ocel-beton. Modelování metodou konečných prvků se stalo běžným způsobem navrhování a potřeba standardizace byla uznána vypracováním normy prEN 1993-1-14:2024 – Navrhování za pomoci metody konečných prvků.

Tato výzkumná skupina ve spolupráci s průmyslovým partnerem a zahraničními univerzitami vyvíjí a ověřuje pokročilé metody navrhování styčníků Component-Based Finite Element Method (CBFEM) a také navrhování diskontinuitních regionů v betonových prvcích Compatible Stress Field Method (CSFM). Metoda CBFEM je k dispozici v komerčním softwaru IDEA StatiCa a Hilti Profis a byla vyvinuta za přispění několika řešených projektů TAČR. Metoda je nyní oficiálně uznána v příručce AISC Design Guide 1: Base Connection Design for Steel Structures a je průběžně ověřována experimenty a numerickými simulacemi. Obě metody jsou využívány po celém světě u více než 10 tisíc zákazníků, kteří měsíčně spouští přes milión výpočtů. Výsledky výzkumu mají tudíž okamžitý dopad pro inženýrskou praxi.

Dílčí výzkumná témata se týkají:

  • Ověření a validace numerických modelů ocelových a betonových spojů, prutů a detailů.
  • Vyhodnocení tradičních i pokročilých návrhových metod pomocí rozsáhlých parametrických studií s numerickými simulacemi ověřených experimenty.
  • Průzkum návrhových metod pomocí AI s cílem snížení rozptylu výsledků vůči numerickým simulacím a experimentům a tím zvýšení využití prvků se zachováním spolehlivosti návrhu.

Mezi další činnosti a cíle této skupiny patří:

  • Průmyslem podporované doktorandské pozice s jasným cílem a zaměřením.
  • Mezinárodní spolupráce v oblasti vývoje metod navrhování ocelových i betonových konstrukcí, numerické analýzy a řešení detailů s cílem standardizace v mezinárodně uznávaných normách.

Matematická analýza pro podporu řešení inženýrských úloh

Matematická analýza pro podporu řešení inženýrských úloh

Vedoucí: prof. Ing. Jiří Vala, CSc.

Tým se zabývá vybranými matematickými a výpočetními aspekty řešení inženýrských úloh, zejména ve spolupráci s ostatními týmy a pro podporu jejich výzkumných aktivit. Jeho klíčové vědecké zaměření lze charakterizovat takto:

  • kvalitativní vlastnosti řešení obyčejných diferenciálních rovnic, funkcionálních rovnic, funkcionálních diferenciálních rovnic, diskrétních rovnic, parciálních diferenciálních rovnic;
  • diferenciální formy a jejich aplikace ve variačním počtu a obecných soustavách parciálních diferenciálních rovnic;
  • matematická statistika, analýza časových řad, regresní modely, optimalizační úlohy, inverzní úlohy, homogenizační problémy pro víceškálové formulace;
  • numerické metody pro přibližní řešení počátečních s okrajových úloh pro obyčejné i parciální diferenciální rovnice, verifikace řešení inženýrských problémů, zejména z mechaniky deformovatelných těles a prostředí;
  • projektivní a diferenciální geometrie, systémy počítačové algebry a počítačové grafické systémy.
Partneři

Recyklované materiály pro výstavbu vozovek

Vedoucí: prof. Dr. Ing. Michal Varaus

Výzkumná skupina se zaměřuje na výzkum v oblasti možností využití recyklovaných materiálů při výstavbě konstrukčních vrstev vozovek. Jde o konstrukční vrstvy pro podkladní, ložní i obrusné asfaltové vrstvy netuhých vozovek. Výzkum probíhá ve spolupráci s českými i zahraničními univerzitami (např. TU Vídeň, TU Braunschweig). Nedílnou součástí výzkumných prací je i úzká spolupráce s nadnárodními silničními realizačními firmami (např. Skanska a.s.). Pro hodnocení vlastností těchto materiálů jsou využívána moderní laboratorní zařízení v silniční laboratoři Fakulty stavební VUT v Brně, která disponuje uceleným souborem přístrojů pro empirické i funkční zkoušky asfaltových pojiv (DSR, BBR, RTFOT, PAV), asfaltových směsí (tři různá zařízení pro určení tuhosti a únavových charakteristik asfaltových směsí, TSRST) a materiálů pro podkladní vrstvy vozovek (dynamická triaxiální komora, namrzavost).

Výpočtová mechanika materiálů a konstrukcí

Výpočtová mechanika materiálů a konstrukcí

Vedoucí: prof. Ing. Jan Eliáš, Ph.D

Naše aktivity zahrnují základní i aplikovaný výzkum numerických metod pro analýzu mechanického a multifyzikálního chování nejrůznějších fyzikálních systémů. Naše zaměření sahá od mezoúrovňového modelování heterogenních materiálů až po rozsáhlé simulace mostů a elektráren. Zabýváme se jak stacionárními, tak přechodovými jevy v pevných látkách i kapalinách. Naše hlavní výzkumné zájmy zahrnují:

  • numerické simulace vzniku a šíření trhlin v kvazikřehkých materiálech, jako je beton a keramika, což zahrnuje mimo jiné přístupy založené na lineární elastické lomové mechanice, kohezivních modelech a diskrétních mezoúrovňových modelech;
  • simulace únavového porušování konstrukcí a šíření únavových trhlin v homogenních i heterogenních materiálech, vysoko a nízko-cyklová únava;
  • homogenizace heterogenních materiálů s nelineárním chováním;
  • využití strojového učení v mechanice, například pro automatickou identifikaci materiálových parametrů nebo využití náhradních AI modelů pro odezvu částí konstrukcí;
  • analýzu štíhlých konstrukcí, vzpěr a numerické simulace ztráty stability;
  • chování disipativních nelineárních dynamických systémů, včetně chaotických jevů a fraktální dimenze lomových ploch a trhlin;
  • výpočty proudění tekutin a interakce mezi kapalinou a pevnou látkou;
  • numerické metody pro textilní membránové konstrukce, hledání tvaru, teorie závěsných a lanových struktur;
  • aplikovaný výzkum a spolupráce s průmyslem při návrhu a posuzování skutečných inženýrských konstrukcí;
  • analýza degradace konstrukcí, pokročilé metody pro stanovení únosnosti, identifikace poškození z vibrační odezvy;
  • vývoj vlastního softwaru, ať už open-source nebo proprietárního, pro mechanické a multifyzikální simulace.

Spolehlivost konstrukcí a systémů

Spolehlivost konstrukcí a systémů

Vedoucí: prof. Ing. Miroslav Vořechovský, Ph.D.

Tým se zabývá rozvojem metod využívajících počítačové modely libovolného jevu pro pochopení propagace nejistot a neurčitostí ve vstupních veličinách skrze tyto transformace, screening, optimalizace parametrů, citlivostní analýzy, statistické analýzy a rovněž spolehlivostní analýzy s cílem určit pravděpodobností řídkých jevů a událostí. Analyzované modely jsou typicky velmi výpočtově náročné. Kromě konstrukce optimálních jednorázových návrhů počítačových experimentů vytváří výzkumná skupina také adaptivně rozšiřované bodové návrhy. Hlavním cílem je hlubší porozumění procesu šíření neurčitostí od vstupních dat až k výsledkům modelu. Naše klíčové výzkumné aktivity zahrnují:

  • systematický vývoj metod pro pravděpodobnostní návrh betonových konstrukcí během celého jejich životního cyklu, založený na stochastické nelineární výpočetní mechanice;
  • pravděpodobnostní aspekty únavového porušení heterogenních materiálů (na toto téma jsme získali prestižní ERC grant);
  • vývoj náhradních (surrogate) metamodelů, včetně aproximací s fyzikálním omezením pomocí polynomiálního chaosu, umělých neuronových sítí, metod nejbližších sousedů, krigingu a radiálních bázových funkcí;
  • kvantifikaci nejistot matematických modelů, včetně stanovení rozdělení pravděpodobnosti zájmových veličin;
  • globální analýzu citlivosti, se zaměřením na kvantifikaci aditivních a interakčních efektů ve stochastických výpočetních modelech v oblasti mechaniky konstrukcí;
  • řešení inverzních úloh v inženýrském stavitelství v průběhu celého životního cyklu kombinací klasických metod a metod strojového učení;
  • zkoumání statistického vlivu velikosti, prostorové variability materiálových parametrů a interakcí mezi mechanikou a pravděpodobností;
  • návrh experimentů, jednorázové a rovněž adaptivní sekvenčně rozšiřované návrhy, včetně optimálního výběru bodů v návrhovém prostoru pomocí Monte Carlo metod, kvazi-Monte Carlo sekvencí, LHS vzorkování, stratifikovaného vzorkování, asymptotického vzorkování a subset simulací;
  • vývoj specializovaného softwaru, ať už open-source nebo proprietárního, pro úlohy spojené s pravděpodobnostním modelováním.

Experimentální analýza a diagnostika konstrukčních prvků a konstrukcí

Vedoucí: doc. Ing. Petr Daněk, Ph.D.

Pracovní skupina je dlouhodobě zapojena do mezioborových aktivit v oblasti základního a aplikovaného výzkumu, kde zajišťuje experimentální části projektů v kooperaci s materiálovými inženýry, statiky a pracovníky teoretických oborů s cílem co nejlépe predikovat mechanickou odolnost, trvanlivost, životnost a spolehlivost vyvíjených materiálů a konstrukčních systémů. Nedílnou součástí pracovních aktivit je také vývoj diagnostických metod pro hodnocení existujících konstrukcí.

Neoddělitelnou a nutnou součástí efektivního a komplexního výzkumu a vývoje je moderní přístrojové vybavení. Zkušební laboratoře jsou vybaveny mechanickými a hydraulickými zkušebními zařízeními se zkušebním rozsahem od 30 do 4000 kN, variabilním hydraulickým zatěžovacím systémem a systémem pro plošné zatěžování. Nedílnou součástí jsou klimatizované laboratoře a klima-komory pro dlouhodobé měření smršťování a dotvarování betonových materiálů. Pracoviště také disponuje širokou škálou snímačů, měřících ústředen a zařízení pro sběr a vyhodnocování sledovaných veličin během zkoušek.

Pro činnost zaměřenou na diagnostiku a ověřování stávajících konstrukcí pracoviště využívá moderní přístupy zahrnující kombinaci nedestruktivních, semi-destruktivních a destruktivních metod s cílem co nejefektivněji posoudit stav konstrukce in-situ. Disponuje moderními ultrazvukovými přístroji, georadary, rezistografem a dalším vybavením potřebným pro komplexní diagnostiku staveb.

Konkrétní příklady činností skupiny jsou následující:

  • Experimentální analýza mechanické odolnosti stavebních konstrukcí a výrobků, terénní a laboratorní,
  • Monitoring konstrukcí  (při výstavbě, v průběhu životnosti konstrukce),
  • Hodnocení existujících konstrukcí s preferencí moderních NDT metod diagnostiky,
  • Experimentální analýzy lomových parametrů cementových kompozitů,
  • Softwarová podpora pro statisticko-pravděpodobností vyhodnocení dat experimentální analýzy a diagnostiky stavebních konstrukcí,
  • Laboratorní i terénní zkoušky reologických vlastností betonových konstrukcí,
  • Experimentální metody pro komplexní stanovení fyzikálních a mechanických vlastností stavebních materiálů, prvků a konstrukcí s ohledem na životnost a udržitelnost,
  • Pokročilé metody hodnocení povrchových vlastností materiálů s využitím pixelových klasifikačních modelů s hlubokým učením,
  • Hodnocení materiálů a výrobků z hlediska odolnosti proti vzniku a šíření trhlin,
  • Rozvoj potenciálu pro využití nedestruktivních metod pro hodnocení konstrukčních vad a uniformity stavebních dílců a prvků,
  • Dynamická odezva a únava konstrukcí a konstrukčních prvků,
  • Vývoj nových metodik a postupů pro sofistikovanou diagnostiku stávajících konstrukcí s důrazem na udržitelnost a maximální snížení nákladů na rekonstrukci a prodloužení životnosti stávajících konstrukcí, zejména těch s významným společenským významem.
Výsledky

Přístupnost dopravních staveb pro osoby s omezenou schopností pohybu a orientace

Vedoucí: Ing. Richard Svoboda, Ph.D.

Výzkumná skupina se zaměřuje na zpřístupňování dopravních staveb pro osoby s omezenou schopností pohybu a orientace, zejména nevidomým a osobám využívající ortopedický vozík.
Výzkum je zaměřen na oblast projektování, zejména na normotvůrnou oblast s ohledem na schopnosti osob s omezením využívat v současnosti běžně používané vodicí linie, ale také úpravy staveb tak, aby byl možný samostatný pohyb osob s omezením.
Dalším cílem je zpřístupňování dopravních staveb pomocí moderních technologií, zejména osobám se zrakovým postižením. Jde o možnosti navigace nevidomých osob s použitím navigačních bodů a současných vodicích linií.
Výzkumná skupina spolupracuje se Správou železnic, která má zájem zpřístupňovat své stavby a zejména s organizacemi zabývajícími se pomocí osobám s omezenou schopností pohybu a orientace, např SONS.

Diagnostika a monitoring drážních konstrukcí

Vedoucí: doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D.

Výzkumné aktivity v oblasti diagnostiky drážních konstrukcí zahrnují měření a hodnocení stavu konstrukce koleje a jejích parametrů, a to jak jednorázové, krátkodobé, tak dlouhodobé sledování. Činnost směřuje k aplikaci pokročilých metod měření a hodnocení, digitalizaci procesu využití algoritmů umělé inteligence a strojového učení. Konkrétně jsou tyto aktivity zaměřeny na:

  • měření geometrických parametrů koleje, sledování vývoje kvality těchto parametrů, identifikaci lokálních závad,
  • vývoj diagnostických systémů pro hodnocení technického stavu výhybek a výhybkových konstrukcí,
  • hodnocení mikrogeometrie kolejnic, tj. opotřebení kolejnic provozem, rozvoj vlnkovitosti a skluzových vln na pojížděné ploše kolejnice a hodnocení její drsnosti,
  • měření a analýza hluku a vibrací od drážní dopravy, zjišťování akusticko-vibračních parametrů drážních konstrukcí,
  • hodnocení stability bezstykové koleje, měření a hodnocení příčných odporů pražců
  • statické a rázové zatěžovací zkoušky pražcového podloží.

Výzkum a vývoj je realizován v oblasti železničních i tramvajových tratí.

prof. Ing.

Pavel
Schmid

Ph.D.

koordinátor výzkumné oblasti Pokročilé stavební konstrukce a dopravní stavby

+420 541 147 827
pavel.schmid@vut.cz