Vývoj vysoce únosného energii absobujícího, systému s kontrolovanou deformací
Development of high-load-bearing energy-absorbing systém with controlled deformation
Type of document
disertační prácedoctoral thesis
Author
Petr Hála
Supervisor
Sovják Radoslav
Opponent
Zeman Jan
Field of study
Konstrukce a dopravní stavbyStudy program
Stavební inženýrstvíInstitutions assigning rank
experimentální centrumRights
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Show full item recordAbstract
Přestože počet smrtelných dopravních nehod klesá, podíl kolize motorového vozidla s pevnou překážkou na počtu úmrtí zůstává neměnný. Za účelem snížení závažnosti těchto nehod a s tím spojených rizik siliční dopravy je v této práci představen nový nosný systém pohlcující energii složený z křehkých bloků s buněčnými strukturami. Tyto bloky jsou navrženy tak, aby pohlcovaly rázovou energii pomocí postupného křehkého kolapsu jejich buněčných struktur, přičemž jejich buněčné stěny mohou sloužit jako nosné prvky. Navržený absorbér byl podroben testovacímu programu, který zahrnoval kvazistatické zatížení generované hydrostatickým zařízením a nárazy 50kg závaží s plochým čelem, 1000kg vozítka s plochým čelem a 1100kg osobního vozidla. Během nárazu osobního automobilu nedošlo ke zmáčknutí deformačních zón vozidla, byl odstraněn zpětný ráz a vozidlo bylo postupně zpomaleno. Bylo demonstrováno, že absorbér složený z bloků s rozdílnou odolností proti nárazu je schopen absorbovat různé úrovně kinetické energie. Tato práce zároveň obsahuje srovnávací studii nárazové odolnosti bloků s různými buněčnými strukturami. Bylo ukázáno, že relativně malé změny v buněčné struktuře mohou vést k výrobě bloků s rozlišitelnou úrovní odolnosti proti nárazu a bylo uvedeno několik poznatků, které by mohly být použity během budoucího návrhu bloků. V rámci této práce je představen výrobní proces absorbéru vyrobeného z vysoce výkonného betonu. Využití tohoto materiálu zaručí absorbéru dostatečnou životnost v nepříznivých prostředích, přičemž jeho výrobní náklady zůstanou přiměřené a bude možné jej sériově vyrábět. Všechny složky použité během výroby jsou běžně dostupné ve velkých objemech za rozumnou cenu a výsledný materiál se vyznačuje dostatečnou objemovou stabilitou a velmi nízkou porozitou, díky čemuž je vysoce odolný. Tyto specifikace umožňují širokou škálu použití a to i v místech, kde nelze instalovat doposud známé absorbéry. Záměrem je nahradit kameny a pevné bloky v propustcích navrhovaným absorbérem, ale hypoteticky by tento absorbér mohl být také použit v jiných konstrukcích, které představují rizika kolem silničních cest nebo při ochraně mostních pilířů pod vodou. Správná funkčnost absorbéru byla demonstrována pomocí experimentálních metod a ověřena numerickými simulacemi. Vyvinuté numerické modely dokážou nejen replikovat pohyb narážejícího tělesa, ale také postupný kolaps buněčné struktury a mohou být použity v rámci budoucího výzkumu. Tato práce zároveň položila základní kámen pro spolupráci se soukromým sektorem. Even though the number of deadly traffic incidents is decreasing, the proportion of motor vehicle crash deaths involving a collision with fixed objects is not. To address this issue and consequently to decrease transportation hazards, a novel load-bearing energy-absorbing system (EAS) comprised of brittle blocks with cellular structures is presented here. The brittle blocks are designed as cushioning elements dissipating the impact energy because of the gradual brittle fracture process in their cellular structures with their cell walls serving as supporting elements. The EAS is subjected to a testing program involving a quasi-static load generated by a hydro-static loading machine and impacts of a 50~kg flat-nosed impactor, a 1,000~kg flat-nosed cart, and a 1,100~kg passenger vehicle. During the conducted car crash test, the crumple zone of the car was not crumpled; car bounce of was eliminated and gradual deceleration of the car was recorded. It is demonstrated that EAS is able to gradually absorb different levels of impact energy by combining blocks with different crashworthiness, and the comparative study on the crashworthiness of blocks with different cellular structures is presented. It is shown that relatively small changes in the design can lead to the production of blocks with distinguishable levels of crashworthiness and several observations that could guide future crashworthiness design are given. High-performance concrete (HPC) is proposed as a base material and the production process of such EAS is presented. Use of HPC makes EAS suitable for use in harsh environments while still keying an eye towards reasonable production costs and the ability to be mass-produced. All components of the HPC employed are commonly available in large volumes for a reasonable price, and the resulting material is characterised by reasonable volume stability and very low porosity, which makes it highly durable. These specifications allow for a wide range of applicability even in places where currently produced energy-absorbing systems cannot be installed. The focus is on replacing stones and solid blocks in cross-drainage culverts by the proposed EAS as cushioning element, but hypothetically it could also be used in other structures which pose risks around traffic lanes or in underwater protection of bridge piers. Proper EAS functionality is demonstrated using experimental methods and validated by numerical simulations. The developed numerical models are able not only to replicate the motion of the impacting body but also the gradual fracture process of the cellular structure and can be used in future research. This thesis additionally laid the cornerstone for cooperating with a private sector partner.
Collections
- Disertační práce - 11000 [476]