UM FGPA meni

Katedra za metalne konstrukcije

Katedra za metalne konstrukcije (KMK) deluje v sklopu Fakultete za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Univerze v Mariboru.

Predstavitev

Področje delovanja

Katedra za metalne konstrukcije izvaja študijske in znanstvenoraziskovalne programe s področja metalnih konstrukcij (jeklene in sovprežne konstrukcije).

Znanja, ki jih študent pridobi na predavanjih, laboratorijskih in računalniških vajah in z aplikativnimi nalogami, obsegajo:

  • mehanske lastnosti jekla, razvoj uporabe jekla in jeklogradnje,
  • dimenzioniranje in projektiranje jeklenih konstrukcij (Eurocode 3),
  • dimenzioniranje veznih sredstev (Eurocode 3),
  • dimenzioniranje in projektiranje sovprežnih konstrukcij (Eurocode 4),
  • specialne jeklene konstrukcije,
  • nelinearno analizo jeklenih konstrukcij,
  • sintezo in optimiranje konstrukcij,
  • odpornost jeklenih konstrukcij na vplive požara,
  • protikorozijsko zaščito,
  • ekonomiko gradenj jeklenih konstrukcij,
  • seminarje in diplome: zasnova in dimenzioniranje jeklenih prerezov in konstrukcijskih elementov, veznih sredstev, jeklenih hal, jeklenih večetažnih skeletov in nebotičnikov, jeklenih in sovprežnih mostov.

Predstojnik katedre

red. prof. dr. Stojan Kravanja, univ. dipl. inž. grad.

Član katedre

doc. dr. Tomaž Žula, univ. dipl. inž. grad.

 

Pedagoška dejavnost

Predmeti
Obvezni predmeti: Jeklene konstrukcije, Kovinske gradnje, Kovinske konstrukcije.
Izbirni predmeti: Izbrana poglavja iz jeklenih konstrukcij.

Znanstveno raziskovalna dejanovnost

Raziskovalci
  • prof. dr. Stojan Kravanja, univ. dipl. inž. grad. – predstojnik katedre      
  • asist. dr. Tomaž Žula, univ. dipl. inž. grad.      
  • doc. dr. Simon Šilih, univ. dipl. inž. grad.

Seznam najpomembnejših del

Monografija
1. Stojan Kravanja, Sinteza konstrukcij z mešanim celoštevilskim nelinearnim programiranjem, Fakulteta za gradbeništvo, Univerza v Mariboru 2006, ISBN 86-435-0767-9, Slovenija.
Mednarodna dejavnost
Prof. dr. Stojan Kravanja je bil član znanstvenega komiteja in soorganizator mednarodne konference OPTI 2007: Tenth International conference on computer aided optimum design in engineering OPTI X, Myrtle Beach, S. Carolina, USA, maj 2007 (Wessex Institute of Technology).
Prof. dr. Stojan Kravanja je uredil specialni izvod revije American Journal of Applied Sciences, Science Publications, New York. Namen specialnega izvoda revije je bil, objaviti deset izvirnih znanstvenih člankov avtorjev s Fakultete za gradbeništvo in promocija Fakultete v svetu. Kot prva redna številka je revija izšla januarja 2008.

 

Bibliografija

ČLANKI IN DRUGI SESTAVNI DELI
1.01 Izvirni znanstveni članek
1. KLANŠEK, Uroš, ŽULA, Tomaž, KRAVANJA, Zdravko, KRAVANJA, Stojan. MINLP optimization of steel frames. Adv. steel constr., Sep. 2007, vol. 3, no. 3, str. 689–705.
2. KLANŠEK, Uroš, KRAVANJA, Stojan. Stroškovno optimiranje sovprežnih konstrukcij iz betona in jekla. Del 1, Analiza lastnih izdelavnih stroškov. Gradb. vestn., dec. 2007, letnik 56, str. 319–332.
1.06 Objavljeni znanstveni prispevek na konferenci (vabljeno predavanje)
3. KRAVANJA, Stojan, ŽULA, Tomaž. MINLP cost optimization of industrial steel building. V: HERNÁNDEZ, Santiago (ur.), BREBBIA, Carlos Alberto (ur.). Tenth International conference on computer aided optimum design in engineering OPTI X, Myrtly Beach, USA. Computer aided optimum design in engineering X, (WIT Transactions on the built environment, Vol. 91). Southampton: WIT, cop. 2007, str. 109–118.
1.08 Objavljeni znanstveni prispevek na konferenci
4. ŠILIH, Simon, ŽULA, Tomaž, KRAVANJA, Stojan. The MINLP optimization in civil engineering. V: BHATT, Balswaroop (ur.), TEWARI, Bhoendradatt (ur.), LAZAKIDOU, Athina A. (ur.), SIASSIAKOS, Konstantinos (ur.). Proceedings of the WSEAS International Conferences, Trinidad and Tobago, November 5–7, 2007: proceedings of the 9th WSEAS International Conference on Mathematical and Computational Methods in Science and Engineering (MACMESE ’07): proceedings of the 6th WSEAS International Conference on Data Networks, Communications, Computers (DNCOCO ’07), (Electrical and computer engineering series). [S. l.]: WSEAS, 2007, str. 299–304.
5. KLANŠEK, Uroš, KRAVANJA, Stojan. Stroškovno optimiranje sovprežnih paličnih nosilcev. V: LOPATIČ, Jože (ur.), SAJE, Franc (ur.), MARKELJ, Viktor (ur.). Zbornik 29. zborovanja gradbenih konstruktorjev, Bled, 18.–19. oktober 2007. Ljubljana: Slovensko društvo gradbenih konstruktorjev, 2007, str. 183–190.
IZVEDENA DELA (DOGODKI)
3.15 Prispevek na konferenci brez natisa
6. KRAVANJA, Stojan. MINLP synthesis of structures in civil engineering: lecture presented at the CAPE Forum – Slovenia, February 1–2, Maribor. Maribor, 2007.

Razvoj, modeliranje in optimiranje objekov in procesov v gradbeništvu in prometu

P2-0129 (B) Razvoj, modeliranje in optimiranje objektov in procesov v gradbeništvu in prometu
Vodja: Kravanja Stojan
Trajanje: 1. 1. 2004 – 31. 12. 2008
Obseg: 2 FTE

DEJAVNOST

ARRS KLASIFIKACIJA: 2.01.00 Tehniške vede / Gradbeništvo, 2.19.00 Tehniške vede / Promet
CERIF KLASIFIKACIJA: T002 – Gradbena tehnologija

KLJUČNE BESEDE: Razvoj, modeliranje, optimiranje, gradbeništvo, promet, informatika, konstrukcija, objekt, gradnja, prometna infrastruktura, nelinearno programiranje, NLP, mešano-celoštevilsko nelinearno programiranje, MINLP

 

ZAKLJUČNO POROČILO 
V letih 2004-2008 smo znotraj raziskovalnega programa raziskovali na sledečih segmentih: razvijali smo metode za učinkovito modeliranje in optimiranje konstrukcij (jeklenih in lesenih paličnih nosilcev, različnih sovprežnih stropnih sistemov in jeklenih večetažnih okvirjev), razvijali smo metode ojačevanja in modeliranje panelnih sten ter izvršili raziskave na področjih gradbene informatike in prometa.
Na področju optimiranja paličnih konstrukcij smo razvili učinkovit postopek za sintezo jeklenih paličnih nosilcev. V enovitem računskem postopku moremo sočasno izračunati najmanšo možno maso (stroške izdelave) konstrukcije, optimalno število in razporeditev elementov paličja (topologijo), koordinate vozlišč (obliko) ter dimenzije prečnih prerezov. Slednje lahko zavzamejo diskretne vrednosti iz definirane množice različnih diskretnih/standardnih alternativ prerezov. Opisan problem je diskretno/zvezne narave in smo ga reševali z metodo mešanega celoštevilskega nelinearnega programiranja (MINLP). Za MINLP optimiranje paličja smo razvili optimizacijski model TRUSSOPT. Masna (stroškovna) namenska funkcija je podvržena sistemu pogojnih (ne)enačb. Slednje predstavljajo enačbe končnih elementov konstrukcije za izračun notranjih sil in deformacij ter enačbe dimenzioniranja jeklenih elementov v skladu z Eurocode 3. Poleg vektorja zveznih spremenljivk x (koordinate vozlišč, sile, deformacije, masa, itd.), smo v modelu definirali tudi vektor diskretnih binarnih 0-1 spremenljivk y, s katerimi izračunamo diskretne materiale in prereze ter obstoj konstrukcijskih elementov v superstrukturi (y=1) ali njihovo zavrnitev (y=0). Za reševanje smo uporabili Modificirani algoritem zunanje aproksimacije s sprostitvijo enačb (Modificirani OA/ER algoritem) in večnivojne strategije (S. Kravanja, S.Šilih, Z. Kravanja. The multilevel MINLP optimization approach to structural synthesis: the simultaneous topology, material, standard and rounded dimension optimization. Adv. eng. softw., 36, 9, str. 568-583, 2005). Za palične nosilce večjega obsega smo razvili t.i. Hierarhično metodo superelementov (HSA), pri kateri konstrukcijo razdelimo na več segmentov. Optimiranje topologije nato poteka znotraj posameznega segmenta ter sočasno po vseh segmentih. Konvergenco Modificiranega OA/ER algoritma smo pospešili tudi s t.i. zaporedno dvofazno startegijo (S. Šilih, T. Žula, Z. Kravanja, S. Kravanja. MINLP optimization of mechanical structures. Am. j. appl. sci., 5, 1, str. 48-54; 2008). Uspešno smo izvedli sintezo obsežnejših paličnih nosilcev, ki so vsebovali nad 500 alternativnih elementov (palic), optimizacijski problemi pa so zajemali tudi nekaj deset tisoč binarnih spremenljivk. Ker je izračunana konstrukcija sestavljena iz standardnih, na tržišču dosegljivih jeklenih profilov, predstavlja praktično uporabno rešitev. Na ta način je postopek primeren za reševanje konkretnih problemov gradbene prakse.
Izvedli smo tudi optimiranje lesenih paličnih nosilcev ob upoštevanju togosti stikov. Stiki v lesenih paličnih nosilcih niso tako togi kot v primeru jeklenih ali betonskih nosilcev. Zaradi podajnosti veznih sredstev se zmanjša togost konstrukcije (povečajo se pomiki), kar lahko bistveno vpliva na postopek dimenzioniranja. Optimiranje smo izvedli z metodo nelinearnega programiranja (NLP). Rezultati so pokazali, da ima podajnost veznih sredstev pomemben vpliv na končno rešitev. S primerjalno analizo smo dokazali, da se izdelavni stroški povečajo do 10%, masa konstrukcije pa do 15%, če upoštevamo podajnost veznih sredstev (S. Šilih, M. Premrov, S. Kravanja. Optimum design of plane timber trusses considering joint flexibility. Eng. struct., 27, 1, str. 145-154, 2005). Vplivi podajnosti stikov so večji v primeru večjega števila elementov (diagonal in vertikal paličja). Ustreznejše so konstrukcije z manjšim razmerjem razpon/višina. Merodajni so pogoji dimenzioniranja pri mejnem stanju nosilnosti (napetostni pogoji). Omenjena dognanja predstavljajo koristne napotke za dimenzioniranje lesenih nosilcev v projektantski praksi, prav tako pa nakazujejo možnosti za nadaljnje raziskovalno delo.
Z razvojem metodologije podrobnega ocenjevanja stroškov, z razvojem detaljnih stroškovnih namenskih funkcij, z razvojem optimizacijskih modelov COMBOPT, z upoštevanjem različnih ekonomskih pogojev in z izvedenim parametričnim stroškovnim optimiranjem na osnovi nelinearnega programiranja – NLP, je bila izvršena stroškovna primerjava za ugotavljanje konkurenčnosti med tremi različnimi tipi sovprežnih stropnih sistemov: sovprežnih I nosilcev z dvojno simetričnim varjenim I prerezom; sovprežnih paličnih nosilcev, sestavljenih iz odprtih vroče valjanih [ profilov; in sovprežnih paličnih nosilcev, izdelanih iz zaprtih hladno oblikovanih votlih prerezov. Na ta način so predlagane enačbe za natančno ocenitev dimenzijsko odvisnih lastnih izdelavnih stroškov materiala, energije in dela jeklenih ter sovprežnih konstrukcij, ki za širšo inženirsko prakso predstavljajo uporabno matematično orodje za ocenitev stroškov na stopnji konceptualnega dizajna konstrukcije (U. Klanšek, S. Kravanja. Cost estimation, optimization and competitiveness of different composite floor systems. Part 1, Self-manufacturing cost estimation of composite and steel structures. J. Constr. steel res., 62, 5, str. 434-448, 2006). Predlagane so tudi natančne namenske funkcije lastnih izdelavnih stroškov za optimiranje obravnavanih treh tipov sovprežnih stropov. Nadalje so izdelani diagrami za primerjavo stroškovne konkurenčnosti obravnavanih treh različnih tipov sovprežnih stropnih sistemov za podan razpon, spremenljivo obtežbo, ceno konstrukcijskega jekla in strošek dela (U. Klanšek, S. Kravanja. Cost estimation, optimization and competitiveness of different composite floor systems. Part 2, Optimization based competitiveness between the composite I beams, channel-section and hollow-section trusses. J. Constr. steel res., 62, 5, str. 449-462, 2006). Rezultati optimiranja omogočajo inženirju pridobitev optimalnega dizajna sovprežne konstrukcije na osnovi natančno definiranega stroškovnega kriterija; vpogled v razdelitev optimalnih lastnih izdelavnih stroškov; pregled nad porabo materiala in energije; ter izračun potrebnih proizvodnih časov (U. Klanšek, S. Šilih, S. Kravanja. Cost optimization of composite floor trusses. Steel Compos. Struct., 6, 5, str. 435-457, 2006).
Razvili smo NLP optimizacijski model FRAMEOPT za optimiranje nezavetrovanih ravninskih jeklenih okvirjev s togimi stiki. Optimiranje okvirjev je bilo izvedeno glede na masno namensko funkcijo, ki je bila podvržena pogojnim (ne)enačbam končnih elementov po teoriji drugega reda in dimenzioniranja elementov po standardih Eurocode 3. Upoštevana je bila geometrijska nelinearnost okvirja zaradi P-δ in P-Δ efektov. Oba efekta sta vključena v nelinearno togostno matriko posameznega elementa okvirja z uporabo stabilitetnih funkcij (U. Klanšek, T. Žula, Z. Kravanja, S. Kravanja. MINLP optimization of steel frames. Adv. steel constr., 3, 3, str. 689-705, 2007). Uspešno smo razvili tudi MINLP optimizacijski model za sočasno optimiranje mase, topologije (števila okvirjev in leg) ter standardnih profilov industrijske hale (S. Šilih, T. Žula, Z. Kravanja, S. Kravanja. MINLP optimization of mechanical structures. Am. j. appl. sci., 5, 1, str. 48-54; 2008).
Razvijali smo različne možnosti ojačitve montažnih panelnih sten, ki se uporabljajo kot osnovni nosilni elementi pri gradnji večetažnih lesenih konstrukcij. Ker so panelne stene sestavljene iz lesenega okvirja in mavčno-vlaknastih obložnih plošč, ki so z mehanskimi veznimi sredstvi pritrjene na okvir, jih računsko obravnavamo kot sovprežni sistem. V njem so najšibkejši element obložne plošče, saj imajo manjšo nosilnost in togost kot pa leseni okvir ter jih je zato potrebno ustrezno ojačati. Za nekatere rešitve predlaganih ojačanih panelov smo podali matematične modele (M. Premrov, P. Dobrila, B. Bedenik. Approximate analytical solutions for diagonal reinforced timber-framed walls with fibre-plaster coating material. Constr. build. mater., 18, 10, str. 727-735, 2004). Obložne plošče smo ojačali v smeri natezne diagonale s CFRP diagonalnimi trakovi, prilepljenimi na obložno ploščo. Izkazalo se je, da sta v primeru, ko so trakovi prilepljeni tudi na leseni okvir, predlagani Eurocode 5 računski metodi povsem neuporabni (M. Premrov, P. Dobrila, B. Bedenik. Analysis of timber-framed walls coated with CFRP strips strengthened fibre-plaster boards. Int. j. solids struct., 41, 24/25, str. 7035-7048, 2004). Ukvarjali smo se tudi s semi-analitičimi načini modeliranja montažnih stenskih elementov, uporabljajoč modificirano γ-metodo. Stenski elementi so sestavljeni iz lesenega okvirja in mavčno-vlaknastih obložnih plošč (MVP), ki so z mehanskimi veznimi sredstvi pritrjene na leseni okvir. Ker je natezna trdnost MVP približno 10-krat manjša od tlačne, je le-te smiselno v njihovi natezni diagonalni smeri ojačati s karbonskimi polimernimi (CFRP) trakovi, ki so prilepljeni na MVP. Razviti matematični modeli omogočajo tako upoštevanje podajnosti veznih sredstev, kakor tudi pojav razpok v MVP. Upoštevan je vpliv vgrajenih CFRP trakov preko modificiranega modula pomikov veznih sredstev v fiktivno povečanem koeficientu togosti priključne ravnine (M. Premrov, P. Dobrila. Modelling of fastener flexibility in CFRP strengthened timber-framed walls using modified [gamma]-method. Eng. struct., 30, 2, str. 368-375, 2008).
Na področju gradbene in prometne informatike je raziskovalno delo potekalo predvsem na projektu optimizacije inženirske komunikacije s poudarkom na fazi gradnje (koncept DyCE), na projektu avtomatiziranega spremljanja gradnje objektov na osnovi 4D modela, in na razvoju produktnega modela ceste PMC. Na kakovost faz življenjskega cikla objekta v veliki meri vpliva optimizacija informacijskih tokov in modelov. V okviru programa smo zaključili izdelavo informacijskega modela ceste PMC, ki smo ga v prototipni obliki tudi uspešno preizkusili v realnem okolju. Sodelovali smo tudi pri izdelavi standarda LandXML 1.0 in 1.1, ki predstavlja shemo za zapis modela. S tem smo zagotovili prenos rezultatov naših raziskav v globalno bazo znanja. (D. Rebolj, A. Tibaut, N. Čuš Babič, A. Magdič, P. Podbreznik. Development and application of a road product model. Autom. constr., str. 1-10, 2008). Na področju prometa so se najpomembnejši rezultati pokazali pri reševanju problematike križišč. V krožnih križiščih z enim voznim pasom v krožnem vozišču lahko, zaradi močnega toka pešcev in/ali kolesarjev, nastopijo problemi s prepustno sposobnostjo. Predlagali smo nov pristop dimenzioniranja krožnih križišč z vidika matematičnega modeliranja prometnih tokov z uporabo metode diskretnih simulacij, z upoštevanimi statistično ovrednotenimi vhodnimi podatki za prometni tok vozil in pešcev (T. Tollazzi, T. Lerher, M. Šraml. An analysis of the influence of pedestrians` traffic flow on the capacity of a roundabout using the discrete simulation method. Stroj. vestn., 52, 6, 359-379, 2006). Rezultati simulacij so uporabni pri določanju prepustnosti načrtovanih krožnih križišč, ki bodo delovali v različnih prometnih okoliščinah. Predlagan postopek predstavlja, poleg znanstvenega pristopa matematičnega modeliranja, tudi praktično metodo za pomoč pri odločanju o smiselnosti izvedbe krožnega križišča v primeru močnega toka pešcev in/ali kolesarjev.

Razvoj, modeliranje in optimiranje objekov in procesov v gradbeništvu in prometu – 2. del

P2-0129 (B) Razvoj, modeliranje in optimiranje objektov in procesov v gradbeništvu in prometu
Vodja: Kravanja Stojan
Raziskovalci: Miroslav Premrov, Peter Dobrila, Uroš Klanšek, Matjaž Skrinar, Simon Šilih, Tomaž Pliberšek, Danijel Rebolj, Tomaž Tollazzi, Boštjan Kovačič, Igor Špacapan, Marjan Lep, Branko Bedenik, Mirko Pšunder
Trajanje: 1. 1. 2009 – 31. 12. 2011
Obseg: 1,5 FTE
DEJAVNOST

ARRS KLASIFIKACIJA: 2.01.00 Tehniške vede / Gradbeništvo, 2.19.00 Tehniške vede / Promet
CERIF KLASIFIKACIJA: T002 – Gradbena tehnologija
KLJUČNE BESEDE: Razvoj, modeliranje, optimiranje, gradbeništvo, promet, informatika, konstrukcija, objekt, gradnja, prometna infrastruktura, nelinearno programiranje, NLP, mešano-celoštevilsko nelinearno programiranje, MINLP

X