Książki naukowe

Metoda elementów skończonych w ujęciu inżynierskim; Paweł Jasion

Publikacja stanowi przystępne wprowadzenie do metody elementów skończonych w inżynierii mechanicznej, koncentrując się na jej praktycznym zastosowaniu w rozwiązywaniu zagadnień związanych z mechaniką konstrukcji. Autor omawia podstawowe założenia metody, przedstawia jej ideę działania oraz zarys fundamentów teoretycznych, zwracając uwagę zarówno na jej możliwości, jak i ograniczenia.

Opracowanie zostało przygotowane z myślą o studentach studiów inżynierskich pierwszego stopnia oraz absolwentach szkół średnich o różnym profilu, także tych, którzy nie posiadają zaawansowanego przygotowania z zakresu metod numerycznych. W tekście uwzględniono niezbędne podstawy teoretyczne, które wspierają zrozumienie analizowanych problemów i umożliwiają samodzielne budowanie modeli oraz interpretację wyników.

Istotnym elementem są liczne przykłady analiz numerycznych dotyczących prostych elementów konstrukcyjnych. Obejmują one m.in. analizę naprężeń i odkształceń, zagadnienia stateczności, analizę modalną oraz przepływ ciepła. Wybrane przykłady zostały szczegółowo omówione, pełniąc funkcję wskazówek do samodzielnej pracy oraz inspiracji do dalszego rozwijania umiejętności modelowania.

Celem publikacji jest przygotowanie czytelnika do efektywnego wykorzystania metody elementów skończonych w praktyce inżynierskiej. Może ona służyć jako pomoc dydaktyczna, materiał do nauki własnej oraz wsparcie w rozwiązywaniu konkretnych problemów konstrukcyjnych, szczególnie dla osób rozpoczynających pracę z tą metodą.

Spis treści
Przedmowa 7
1. Wprowadzenie 9
1.1. Narzędzia analizy konstrukcji 9
1.2. Modelowanie komputerowe 11
1.3. Historia i idea MES 12
1.4. Charakterystyka systemów korzystających z MES 17
1.5. Projektowanie konstrukcji z użyciem MES 20
1.6. MES w ujęciu inżynierskim 22
2. Element skończony 25
2.1. Rodzaje elementów skończonych 25
2.2. Funkcja aproksymująca i funkcja kształtu 27
3. Komputerowy model konstrukcji 33
3.1. Etapy tworzenia modelu 33
3.2. Modelowanie geometrii 36
3.2.1. Przygotowanie modelu geometrycznego 36
3.2.2. Upraszczanie modeli CAD 38
3.3. Modelowanie materiału 44
3.4. Modelowanie podparcia i obciążenia 48
3.5. Czy dobry model wystarczy? 57
4. Przygotowanie modelu MES 61
4.1. Wybór elementu skończonego 61
4.2. Określanie gęstości siatki 65
4.3. Generowanie i modyfikacja siatki 70
4.4. Problemy dyskretyzacji modeli 73
6 SPIS TREŚCI
5. Wybrane typy analiz konstrukcji 81
5.1. Zagadnienia liniowe i nieliniowe w MES 81
5.2. Statyczna analiza wytrzymałości 83
5.2.1. Przemieszczenia, odkształcenia, naprężenia 83
5.2.2. Wizualizacja naprężeń 87
5.2.3. Sposoby obciążania konstrukcji 90
5.2.4. Uwagi o analizie nieliniowej 95
5.3. Analiza stateczności 103
5.3.1. Siły błonowe 103
5.3.2. Obciążenie krytyczne 105
5.3.3. Stan zakrytyczny 111
5.4. Analiza modalna 115
5.5. Analiza termiczna 120
5.5.1. Zagadnienia przepływu ciepła 120
5.5.2. Statyczne zagadnienia termiczne 124
6. Zagadnienia kontaktowe 129
6.1. Kontakt w systemach MES 129
6.2. Charakterystyka i realizacja kontaktu 130
6.3. Typy kontaktu i ich zastosowanie 134
6.4. Modelowanie zagadnień kontaktowych 138
7. Powłokowe elementy skończone w modelowaniu konstrukcji 141
7.1. Charakterystyka elementów i modeli powłokowych 141
7.2. Płyty, powłoki, belki 144
7.3. Ramy 150
7.4. Konstrukcje wielowarstwowe 152
8. Raport z badań MES 159
8.1. Cel przygotowania raportu 159
8.2. Zawartość raportu 159
8.3. Wnioski i archiwizacja 162
9. Podsumowanie 165
Bibliografia 167

Zakres pracy obejmuje:
1. Przedstawienie zarysu teoretycznych podstaw deformacji nieliniowych, na których oparto analizy stanów zakrytycznej deformacji rozważanych struktur badawczych (rozdz. 2.).
2. Omówienie numerycznych metod rozwiązywania zagadnień geometrycznie i fizycznie nieliniowych (rozdz. 3.).
3. Scharakteryzowanie metod badań doświadczalnych i zakresu ich stosowania w odniesieniu do cienkościennych struktur nośnych pracujących w zakresie deformacji pokrytycznych, ze szczególnym uwzględnieniem metody cyfrowej korelacji obrazu (rozdz. 4.).
4. Przykłady badań doświadczalnych i obliczeń numerycznych zmierzających do określenia rzeczywistego pola naprężenia integralnie usztywnianych struktur cienkościennych poddanych ścinaniu. Zaprezentowano rozważania dotyczące kilku rodzajów ustrojów. Przedstawiono wyniki dla struktur wzmacnianych usztywnieniami geodetycznymi wykonanymi z lotniczych stopów aluminium, płyt usztywnianych niskoprofilowymi żebrami usytuowanymi równolegle względem siebie oraz konstrukcji o programowalnych właściwościach fizycznych wytwarzanych w technologii druku przestrzennego (rozdz. 5.).
5. Prezentację możliwości stosowania metody cyfrowej korelacji obrazu w przypadku badań rzeczywistych konstrukcji lotniczych. Zaprezentowano przykłady obejmujące wyniki uzyskane w trakcie statycznych badań wytrzymałościowych, badań zmęczeniowych oraz pomiarów deformacji w trakcie badań w tunelu aerodynamicznym (rozdz. 6.).
Rozdział siódmy obejmuje syntetyczne podsumowanie pracy, wskazanie jej oryginalnych elementów oraz nakreślenie dalszych kierunków badań. Monografię zamyka wykaz cytowanej literatury.

Zasilanie urządzeń elektrycznych w czasie pożaru to zagadnienie, które w równej mierze dotyczy zarówno strażaków, jak i elektryków. Często w praktyce pojawiają się problemy z interpretacją niektórych przepisów zawartych w normach i rozporządzeniach.

Najnowsza publikacja opisuje wybrane zagadnienia, które wymagają szerszego wyjaśnienia i mogą być przydatne strażakom i elektrykom w ich praktyce projektowej.

Materiały uzupełniające obejmują dodatki i załączniki dotyczące:
• ochrony przeciwporażeniowej w sieci o układzie zasilania IT,
• badania stanu technicznego instalacji elektrycznych niskiego napięcia, ochrony sprzętu i urządzeń elektrycznych przez obudowy,
• kodowania barwami elementów manipulacyjnych,
• zabezpieczenia instalacji elektrycznych niskiego napięcia od skutków zwarć łukowych.

Spis treści

Od Recenzentów / 5
O Autorze / 7
Od Autora / 9

1. Podstawy teorii pożarów oraz parametry jakościowe napięcia i jego wpływ na pracę wybranych urządzeń elektrycznych / 10
1.1. Podstawy teorii pożarów / 10
1.2. Parametry jakościowe napięcia i jego wpływ na pracę wybranych urządzeń elektrycznych / 24
1.3. Charakterystyka wybranych urządzeń przeciwpożarowych / 39

2. Zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w warunkach pożaru / 63
2.1. Źródła zasilania / 63
2.2. Ogólne zasady doboru przewodów oraz ich zabezpieczeń / 90
2.3. Sprawdzenie dobranych przewodów i kabli na warunki zwarciowe oraz wymagania zwarciowe stawiane zabezpieczeniom / 130
2.4. Ochrona przeciwporażeniowa / 149
2.5. Dystrybucja energii elektrycznej w systemach kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła zgodnie z wymogami normy PN-EN 12101-10 / 169
2.6. Zasilanie urządzeń przeciwpożarowych w przypadku awaryjnego zasilania
sieci elektroenergetycznych nn przez zespół prądotwórczy / 175

3. Przeciwpożarowy wyłącznik prądu – metodyka konstruowania / 181
3.1. Wymagania prawne i techniczne / 181
3.2. Zastosowania praktyczne – projekt układu PWP / 195

4. Dopuszczenie wyrobów budowlanych w ochronie przeciwpożarowej / 209
4.1. Dopuszczanie PWP do instalowania w obiektach budowlanych / 218

5. Wymagania dla kabli i przewodów dotyczące reakcji na ogień, wynikające z Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Nr 305/2011
z dnia 9 marca 2011 roku (CPR) / 225
5.1. Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych / 225
5.2. Charakterystyka wybranych materiałów izolacyjnych stosowanych do budowyprzewodów i kabli elektrycznych / 226
5.3. Wymagania stawiane przewodom i kablom elektrycznym / 229

6. Tymczasowe sieci elektroenergetyczne zasilane z przewoźnych zespołów prądotwórczych rozwijane przez jednostki ochrony przeciwpożarowej / 242
6.1. Podstawy teoretyczne i wymagania techniczne / 242
6.2. Uproszczony projekt zestawu tymczasowej instalacji elektrycznej rozwijanej przez jednostki ochrony przeciwpożarowej w czasie akcji ratowniczych / 255

Załącznik 1
Ochrona przeciwpożarowa kanałów i tuneli kablowych / 262

Załącznik 2
Wymagania dotyczące lokalizacji kontenerowych stacji transformatorowych pod względem ochrony ppoż / 295

Literatura / 319

Dodatek 1
Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT / 323

Dodatek 2
Badania stanu technicznego instalacji elektrycznych niskiego napięcia– zagadnienia wybrane / 332

Dodatek 3
Ochrona sprzętu i urządzeń elektrycznych przez obudowy. Kodowanie barwami
elementów manipulacyjnych / 370

Dodatek 4
Zabezpieczenia instalacji elektrycznych niskiego napięcia od skutków zwarć łukowych / 376

Od Autora
Pożar powstający w budynku lub innym obiekcie budowlanym wytwarza specyficzne środowisko, znacznie różniące się od warunków środowiskowych występujących w warunkach niepożarowych. Dynamika rozwoju pożaru powoduje, że w płonącym budynku lub innym obiekcie budowlanym szybko wzrasta temperatura do wartości 800°C i większych. W takim środowisku muszą funkcjonować urządzenia wspomagające ewakuację oraz gaszenie pożaru. W tych warunkach wzrasta rezystancja przewodów zasilających powodując problemy ze spełnieniem warunku skutecznej ochrony przeciwporażeniowej, realizowanej przez samoczynne wyłączenie. Rosną również spadki napięcia w przewodach zasilających poddanych działaniu wysokiej temperatury, co wpływa na warunki pracy zasilanych urządzeń.

Dla zrozumienia problematyki zasilania należy poznać specyfikę zasilania budynku lub innego obiektu budowlanego oraz warunki pracy źródeł zasilających, których impedancja oprócz temperatury ma znaczący wpływ na warunki ochrony przeciwporażeniowej. W przypadku awarii sieci elektroenergetycznej, która występuje podczas różnych nawałnic pogodowych, sieci elektroenergetyczne zasilane są z generatora przewoźnego zespołu prądotwórczego. Pomimo że taki stan rzeczy jest przejściowy, nie można wykluczyć powstania pożaru przy takich warunkach zasilania obiektu budowlanego w energię elektryczną, kiedy pod napięciem pozostają jedynie wybrane odbiorniki nazywane powszechnie odbiorami komunalnymi. Przy zasilaniu z generatora zespołu prądotwórczego zmieniają się warunki zasilania urządzeń przeciwpożarowych, które muszą zachować pełną gotowość do pracy. W każdym przypadku układ zasilania urządzeń przeciwpożarowych musi charakteryzować się wysoką niezawodnością. Dostępne normy przedmiotowe z tego zakresu zawierają szereg nieścisłości prowadzących w praktyce do powstawania błędów.

W książce zostały opisane zasady zasilania wentylacji pożarowej, określone w normie PN-EN 12101-10:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania się dymu i ciepła. Część 10: Zasilanie. Osobny rozdział został poświęcony przeciwpożarowemu wyłącznikowi prądu, który wbrew powszechnym opiniom stanowi skomplikowane urządzenie elektryczne i podczas konstruowania wymaga znajomości szeregu zagadnień z zakresu elektrotechniki.
Wiele problemów stwarzają wymagania dotyczące zasad wprowadzania urządzeń przeciwpożarowych do obrotu oraz stawiane kablom i przewodom w zakresie reakcji na ogień, wynikające z rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej Nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 roku (CPR). Wymagania dotyczące tych zagadnień zostały opisane w rozdziale czwartym i piątym.

Podczas akcji ratowniczo-gaśniczej bardzo często buduje się tymczasowe linie elektroenergetyczne nn, zasilane z generatora przewoźnego zespołu prądotwórczego. Poziom wiedzy w tym zakresie jest bardzo niski i często prowadzi do powstawania wielu zagrożeń porażeniowych. Wśród użytkowników zespołów prądotwórczych panuje przekonanie, że ich uziemienie przed uruchomieniem jest konieczne ze względów bezpieczeństwa. Należy zauważyć, że działania ratownicze mogą być prowadzone w terenie zaasfaltowanym, zabetonowanym lub zabrukowanym, gdzie pogrążenie uziemienia zespołu prądotwórczego jest niewykonalne. W książce zostało zaprezentowane rozwiązanie przeznaczone do budowy tymczasowych elektroenergetycznych sieci polowych z zastosowaniem układu zasilania IU, który zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa ratownikom oraz nie wymaga uziemienia zespołu prądotwórczego.

Uzupełnieniem książki są dodatki, gdzie opisana została metodyka zasilania w układzie IT, pomijana w innych publikacjach oraz metodyka badania stanu technicznego instalacji elektrycznych nn, gdzie na podstawie uzyskanych wyników można podjąć decyzję mającą na celu neutralizację zagrożeń porażeniowych oraz pożarowych.

Julian Wiatr

Od Recenzentów
Zasilanie urządzeń elektrycznych w czasie pożaru to zagadnienie, które w równej mierze dotyczy zarówno strażaków, jak i elektryków. Często w praktyce pojawiają się problemy z interpretacją niektórych przepisów zawartych w normach i rozporządzeniach. Recenzowana książka, autorstwa mgr. inż. Juliana Wiatra, pt. „Metodyka zasilania urządzeń przeciwpożarowych w energię elektryczną oraz dopuszczanie wyrobów budowlanych w ochronie przeciwpożarowej”, opisuje wybrane zagadnienia, które zdaniem autora wymagają szerszego wyjaśnienia i mają być przydatne strażakom i elektrykom w ich praktyce projektowej. Julian Wiatr jest uznanym autorytetem zarówno w projektowaniu instalacji elektrycznych, jak i ochrony przeciwpożarowej – jest autorem wielu publikacji dotyczących zasilania urządzeń pożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru, oraz współautorem Normy SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.

W recenzowanej książce opisano wybrane zagadnienia, które autor uznał za bardzo przydatne w praktyce. Są to:

– podstawy teorii pożarów – w rozdziale opisano, czym jest pożar, jak powstaje i jak szybko rośnie temperatura pożaru, która ma duży wpływ na rezystancję przewodów i tym samym ochronę przeciwporażeniową urządzeń elektrycznych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru,

– zasilanie budynków w energię elektryczną w warunkach normalnych a zasilanie w czasie
pożaru – w rozdziale tym zamieszczono informacje dotyczące zasilania obiektów z instalacji: fotowoltaicznych, różnych typów akumulatorów i zespołów prądotwórczych oraz możliwość wykorzystania w tych układach wyłączników różnicowoprądowych. Obecne wydanie zostało rozszerzone o wymagania dotyczące doboru przewodów oraz ich zabezpieczeń. W rozdziale tym opisano również metodykę zasilania urządzeń przeciwpożarowych przez zespół prądotwórczy w przypadku awarii sieci elektroenergetycznej,

– przeciwpożarowy wyłącznik prądu – metodyka konstruowania – autor opisał wymagania stawiane PWP oraz zamieścił uproszczony projekt zasilania hali produkcyjnej z przeciwpożarowym wyłącznikiem prądu, zgodnie z wymaganiami normy PH-HD 60364-5-56:2019-01,

– zasady wprowadzania do obrotu i stosowania urządzeń przeciwpożarowych,

– wymagania dla kabli i przewodów dotyczące reakcji na ogień wynikające z Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 roku (CPR),

– tymczasowe sieci elektroenergetyczne zasilane z przewoźnych zespołów prądotwórczych – w rozdziale tym autor przedstawił uproszczony projekt zestawu tymczasowej instalacji elektrycznej rozwijanej przez jednostki ochrony przeciwpożarowej w czasie akcji ratowniczo-gaśniczej.

Na końcu materiału zasadniczego zostały zamieszczone dwa załączniki:

• Ochrona przeciwpożarowa kanałów i tuneli kablowych,
• Wymagania dotyczące lokalizacji kontenerowych stacji transformatorowych pod względem ochrony ppoż.

Będą one pomocne przy opracowywaniu projektów zagospodarowania terenu oraz projektowaniu tras kablowych w kanałach i tunelach kablowych.

Bardzo cennym elementem recenzowanej książki są również dodatki, w których autor zamieścił praktyczne informacje wynikające z jego wieloletniej praktyki projektowej. W załączonych dodatkach znalazły się informacje praktyczne dotyczące:

• D1 – ochrony przeciwporażeniowej w sieci o układzie zasilania IT,
• D2 – badania stanu technicznego instalacji elektrycznych niskiego napięcia – zagadnienia wybrane,
• D3 – ochrony sprzętu i urządzeń elektrycznych przez obudowy, a także kodowania barwami elementów manipulacyjnych,
• D4 – zabezpieczenia instalacji elektrycznych niskiego napięcia od skutków zwarć łukowych.

Książka stanowi kompendium wiedzy zarówno dla strażaków, jak i elektryków, które pozwoli zoptymalizować wybrane elementy procesu projektowania instalacji elektrycznych, które muszą pracować w czasie pożaru. Cennym uzupełnieniem książki są liczne przykłady rachunkowe oraz rysunki ilustrujące opisywane zagadnienia.

dr inż. Kazimierz Herlender, profesor Politechniki Wrocławskiej,
Dyrektor Działu Kształcenia Podyplomowego PWr,
mgr inż. Marcin Orzechowski, zespół wsparcia technicznego ABB Polska

Tytuł ten podsumowuje seminarium Naukowo-Techniczne, które odbyło się we Wrocławiu w dniach 22-24 listopada 2023 roku, organizowane przez Katedrę Dróg, Mostów, Kolei i Lotnisk Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej.
Wstęp:
W drugiej połowie XIX wieku powstała podstawowa sieć linii kolejowych w Europie. W okresie tym wybudowano wiele tysięcy mostów. Do dnia dzisiejszego dotrwała duża liczba obiektów murowanych z kamienia lub cegły oraz stalowych blachownicowych i kratownicowych. Na przełomie XIX i XX wieku do budowy mostów kolejowych zaczęto stosować beton i żelbet, a po II wojnie światowej beton sprężony. Począwszy od lat siedemdziesiątych XX wieku w krajach Europy Zachodniej i Japonii zaczęły powstawać linie kolejowe dla pociągów o dużej prędkości jazdy, co wymusiło opracowanie nowej generacji obiektów mostowych. W Polsce administracja kolejowa podjęła problem unowocześnienia transportu kolejowego dopiero na początku XXI wieku. W związku z tym przed polskimi inżynierami budownictwa mostowego pojawiły się następujące problemy:
– oceny możliwości przystosowania do współczesnych wymagań eksploatacyjnych starych (często 150-letnich) obiektów mostowych,
– wymiany wyeksploatowanych mostów na nowe z wykorzystaniem istniejących podpór, – ochrony dziedzictwa technicznego dla przyszłych pokoleń,
– opracowania metod diagnostyki istniejących obiektów z wykorzystaniem nowoczesnych technik jak np. elektroniczny monitoring konstrukcji i inne,
– przygotowanie się do budowy nowego typu mostów na planowanych liniach o dużej prędkości jazdy pociągów.
W związku z intensywną w ostatnich latach modernizacją linii kolejowych organizatorzy Wrocławskich Dni Mostowych postanowili tegoroczne spotkanie poświęcić problematyce mostów kolejowych.