RECENZJA rozprawy doktorskiej kpt. mgr inż. Bartłomieja Pieńko pt. MECHANIZM FORMOWANIA SIĘ ODŁAMÓW W ELEMENTACH KONSTRUKCYJNYCH SCHRONU

Transkrypt

1 dr hab. inż. Tadeusz Chyży, prof. nzw Białystok ul. Wiejska 45E Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechnika Białostocka RECENZJA rozprawy doktorskiej kpt. mgr inż. Bartłomieja Pieńko pt. MECHANIZM FORMOWANIA SIĘ ODŁAMÓW W ELEMENTACH KONSTRUKCYJNYCH SCHRONU 1. Podstawa formalna opracowania recenzji Podstawą opracowania recenzji jest Umowa pomiędzy Politechniką Białostocką z siedzibą w Białymstoku , ul. Wiejska 45A (Zamawiający), a Wykonawcą dr hab. inż. Tadeuszem Chyży, prof. nzw. oraz pismo Dziekana Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Nr WBiIŚ /3/16 z dn. 25 maja 2014 r. 2. Zawartość przedmiotowej rozprawy Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska kpt. mgr inż. Bartłomieja Pieńko pt. Mechanizm formowania się odłamów w elementach konstrukcyjnych schronu. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. Zbigniew Szcześniak. Przedłożona do recenzji rozprawa zawiera 193 strony łącznie z bibliografią. Zasadniczą część rozprawy poprzedza spis treści 2 strony. Nie stwierdzono spisu rysunków, fotografii i tabel. Spis literatury mieści się na 11 stronach. Pracę Autor podzielił na 11 rozdziałów licząc w tym spis literatury jako rozdział 11. Rozdział 1 to Wstęp w którym Autor zakreślił problematykę rozprawy, dokonał krytycznej analizy aktualnego stanu wiedzy analizowanego zagadnienia. Na tej 1

2 podstawie określił cel rozprawy doktorskiej oraz określił jej zakres. Autor podał, że celem rozprawy jest opracowanie numerycznej prognozy reakcji dynamicznej żelbetowych elementów osłonowych i konstrukcyjnych obudowy schronów ze szczególnym uwzględnieniem mechanizmu formowania się odłamów. Uwzględniając fakt, że Autor nie postawił tezy naukowej oraz analizując samą treść celu pracy, należy ją lokować w zakresie rozwiązań praktycznych, w tym przypadku metodologii numerycznej opracowania oryginalnego algorytmu. W ten sposób zdefiniowana rozprawa jest w pełni zgodna z wytycznymi zawartymi w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym. Rozdział 2 zatytułowany Charakterystyka podstawowych oddziaływań dynamicznych uwzględnionych w analizach odporności konstrukcji schronów jest w zasadzie prezentacją podstawowych analitycznych modeli oddziaływań dynamicznych na konstrukcję schronów (i nie tylko). Zaprezentowano też terminologię używaną w rozprawie oraz opisano model obciążenia wybuchem bliskim oraz falą uderzeniową. Autor przedstawił graficzna postać modelu uderzenia głowica bojową. Dobrym kierunkiem byłoby też przedstawienie graficznej postaci innych oddziaływań, co zwiększyłoby przejrzystość tekstu. Rozdział 3 Modele obliczeniowe właściwości materiałów konstrukcyjnych opisuje cechy wytrzymałościowe podstawowych materiałów konstrukcji schronów żelbetowych, czyli betonu i stali zbrojeniowej. Autor koncentruje się na cechach tych materiałów pracujących w warunkach szybkich deformacji. Jest to bardzo dobrze napisany rozdział. Autor koncentruje się tu głównie na cechach istotnych podczas wybuchu. Przytaczane tu właściwości statyczne są tylko w niezbędnym zakresie. Należy też pochwalić fakt, że wybrane modele obliczeniowe parametrów materiałowych są korelowane z badaniami doświadczalnymi. Rozdział 4 zatytułowany Charakterystyka metody obliczeniowej przedstawia podstawy zastosowanej metody obliczeniowej. Wykorzystano rozwinięcie różnicowe funkcji falowej i skonstruowano własne oprogramowanie. Istotą modelu jest rozseparowanie kierunków falowych na trzy niezależne (w przestrzeni 3D) ale krzyżujące się i współdziałające w obszarze danego elementu. Autor nie wskazuje, jak uwzględnione są cechy tłumienia materiałowego. Metoda charakteryzuje się jednokrokowym procesem obliczeniowym, co stanowi o jej sile, ale tez wprowadza ograniczenia. Istotną natomiast zaletą prezentowanej metody jest możliwość 2

3 modelowania pękania betonu rozumianego jako przekazywanie energii fali w fazie rozdzielczej. Możliwe jest też modelowanie ponownego kontaktu materiału rozumianego tu jako umożliwienie wyrównania się stanu energii falowej i jej dalszego przekazania. Rozdział kończy się przykładem obliczeniowym w którym żelbetową belkę wolnopodpartą obciążono ciśnieniem niezmiennym w czasie. Wyniki potwierdzają opisane powyżej cechy zastosowanej metody obliczeniowej. Rozdział 5 zatytułowany Analiza procesu formowania odłamów w żelbetowych belkach pod wpływem wybuchu ładunku kontaktowego prezentuje wyniki eksperymentów numerycznych. Prezentowane wyniki eksperymentów są bardzo czytelne i dobrze opisane. Natomiast można mieć zastrzeżenia do komentarzy odnośnie wyników a właściwie do faktu, że są one zbyt ostrożnie używane, przez co czytelnik jest zmuszony do własnych interpretacji. Eksperymenty numeryczne dotyczą belki-płyty obciążonej ładunkiem kontaktowym (2 przykłady) lub zagłębionym. Autor prezentuje wyniki w konkretnych punktach belki dla wybranych parametrów w funkcji czasu. Ponadto wskazuje na wielowarstwową strukturę odłamu, jego zasięg przestrzenny oraz stan zarysowania całego elementu konstrukcyjnego. Autor wykazał również ogólnie dobrą zgodność wyników obliczeń z wynikami doświadczeń poligonowych Stanisława Kożuchowskiego. Fakt ten przyjął jako pozytywną ocenę kalibracji zaproponowanej metody obliczeniowej. Na tej podstawie w pozostałych rozdziałach wykonywał analizy zjawiska odłamu przy różnych oddziaływaniach jak i uwarunkowaniach konstrukcyjnych. Rozdział 6 Wrażliwość belek żelbetowych na powstawanie odłamów w wyniku uderzenia i penetracji podobnie jak rozdział 5 zawiera wyniki eksperymentów numerycznych tylko przy innym obciążeniu. Przykłady obliczeniowe dotyczą obciążenia wynikającego z penetracji konstrukcji schronu przez pociski z wyróżnieniem ich masy, prędkości i kalibru. Oddziaływanie energii kinetycznej pocisku zamodelowano poprzez zastępcze oddziaływanie siły poruszającej się w czasie po siatce różnicowej modelu komputerowego. Automatycznie Autor pomija zjawisko wypierania materiału wynikające z procesu wnikania pocisku. Należy podkreślić jednak, że symulacja zastępcza zachowuje dane doświadczalne w zakresie głębokości i czasu trwania penetracji. W rozdziale Autor prezentuje i analizuje 4 przykłady obliczeniowe w których różnicuje warunki brzegowe w postaci braku lub użycia gruntowej warstwy rozpraszającej, której 3

4 zadaniem jest rozpraszanie energii kinetycznej pocisku. Różnicowanie polega na innym opisie obciążenia penetrującego. W wyniku obliczeń uzyskano rozwiązania w zakresie odpowiedzi konstrukcji ze szczególnym uwzględnieniem odłamu. Rozdział 7 pod tytułem Formowanie odłamów w belce żelbetowej poddanej działaniu pocisku dwustopniowego zawiera rozszerzoną analizę obciążenia pociskiem penetrującym z opóźnionym oddziaływaniem wybuchowym. Autor przedstawia model obciążenia i prezentuje wyniki obliczeń. Rozdział 8 Badanie reakcji dynamicznej belki żelbetowej pod wpływem wybuchu dalszego zawiera kolejny przykład obliczeniowy. Tym razem obciążeniem jest nadciśnienie powstałe w wyniku ładunku oddalonego. Autor nie wyjaśnia zależności pomiędzy obszarem obciążenia lobc a odległością wybuchu od belki. Nie jest to konieczne, ponieważ Autor z góry dobiera takie parametry, aby mogło wystąpić zjawisko odłamu. Celem obliczeń było wyznaczenie minimalnych wartości parametrów lobc i maksymalnego nadciśnienia, przy których tworzy się odłam o założonej wysokości. Rozdział 9 zatytułowany Działanie ładunku kontaktowego na belkę żelbetową spoczywającą na gruncie to kolejny eksperyment numeryczny, tym razem dla belki na sprężystym podłożu. Model różnicowy belki uzupełniono o model różnicowy podłoża gruntowego. Rozważana sytuacja nawiązuje do warunków posadowienia dodatkowego elementu osłonowego. Istnieje praktyczna konieczność stosowania takiej osłony w przypadku wzmacniania istniejącego schronu. Wyniki w tym rozdziale podano w bardzo czytelny sposób w postaci tablicowej i wykresów w funkcji czasu. Rozdział 10 Zakończenie to krótkie podsumowanie zadań wykonanych w rozprawie. Autor próbuje też wyeksponować wnioski wynikające z przeprowadzonych eksperymentów numerycznych i przeanalizowanej literatury. Stwierdził, że cel pracy został zrealizowany. Podał w zwartej opisowej formie informację o najważniejszych efektach pracy. Wskazał na ich ogólną zaletę pozwalającą prognozować dalsze badania symulacyjne jak i poligonowe a także na potrzebę doskonalenia samej symulacji. 4

5 3. Ocena merytoryczna rozprawy 3.1. Wybór tematyki rozprawy Tematyka rozprawy doktorskiej jest aktualna i zdaniem recenzenta, pomimo nietypowych obciążeń, wpisuje się mocno w dziedzinę budownictwa. W rozprawie dokonano krytycznego przeglądu zastanego stanu wiedzy i określono precyzyjnie cel dalszych badań, których efektem jest rozwój analizowanego zagadnienia naukowego. Dobrano odpowiednie narzędzia badawcze oraz metody analizy, zrealizowano własne algorytmy komputerowe oraz wykorzystano istniejące i efektywne oprogramowanie komputerowe. Problematyka prezentowana w pracy posiada spory potencjał aplikacyjny i wpisuje się w nurt rozwiązań utylitarnych. Jednocześnie też stanowi pole do znajdowania nowych zastosowań dla istniejących rozwiązań. Szczególnie cennym aspektem jest też wykorzystanie i wdrażanie osiągnięć polskiej nauki i polskich naukowców Główne osiągnięcia rozprawy Głównym osiągnięciem rozprawy jest zastosowanie modelowania komputerowego do predykcji skutków oddziaływań impulsowych o dużym natężeniu chwilowym na odpowiedź konstrukcji żelbetowych i betonowych. W konkretnym przypadku badania numeryczne wykonano dla elementów konstrukcji schronów żelbetowych obciążonych różnymi wariantami amunicji penetrującej i burzącej. Analizie poddano występujące w układzie konstrukcyjnym naprężenia i deformacje oraz określono zakresy ich zmian w trakcie trwania procesu obciążeniowego. Jest to szczególnie cenne w analizie konstrukcji wojskowych jak i cywilnych, gdyż umożliwia projektantowi dobór odpowiednich parametrów wytrzymałościowych i geometrycznych, które mogą takie wyjątkowe obciążenia bezpiecznie przenieść. Określenie bezpiecznie przenieść nie należy tu kojarzyć z niezniszczalnością konstrukcji, ale z bezpieczeństwem przebywających w niej osób i znajdującego się mienia. Możliwość tworzenia symulacji komputerowych, które poprawnie pozwalają określić potencjalny przyrost wytężenia konstrukcji, pozwala też przyspieszyć i zoptymalizować proces konstrukcyjny a tym samym obniżyć jego cenę. 5

6 Autor przedstawił też metodykę obliczeniową w której wykorzystał dorobek naukowy polskich naukowców i ich osiągnięcia naukowe w dziedzinie badań bezpośrednich jak i rozwiązań komputerowych. Jest to szczególnie cenne w czasach, gdy większość badań naukowych, szczególnie numerycznych, wykonuje się na drogim, zagranicznym oprogramowaniu, ograniczając w ten sposób rozwój krajowej myśli naukowej i technicznej w tej dziedzinie. Autor dołożył też własne algorytmy i procedury obliczeniowe, które rozszerzają możliwości obliczeniowe zastosowanych rozwiązań aplikacyjnych. Szczególnie w zakresie dynamicznego pękania materiału konstrukcyjnego oraz graficznej prezentacji wyników obliczeń, które są bardzo czytelne i przejrzyste. Dzięki tym rozwiązaniom można także śledzić ruch części powstałych w wyniku defragmentacji konstrukcji. Kolejnym osiągnięciem jest wypracowanie uniwersalnej techniki obliczeniowej, którą można w łatwy sposób rozszerzać na inne elementy układu ochrony budynku, co przykładowo prezentuje zawarty w pracy przykład obliczeniowy konstrukcji na podłożu gruntowym. Wg recenzenta opracowana technika mogłaby posłużyć do całościowej analizy układu pocisk-konstrukcja, łącznie z fazą penetracji materiału, jego wypierania, a przede wszystkim uwzględniania zastanego stanu wytężenia konstrukcji. Równie istotnym aspektem opracowania jest jego interdyscyplinarny charakter, co umożliwia transfer rozwiązań z jednej dziedziny nauki do drugiej. Ma to korzystny wpływ na rozwój potencjału badawczego i aplikacyjnego. Ważnym przekazem rozprawy jest też wykazanie, że znane techniki komputerowe, przykładowo MRS przy niestandardowym podejściu, mogą mieć nowe i coraz szersze zastosowanie Uwagi o charakterze dyskusyjnym Lektura rozprawy nasuwa też kilka wątpliwości o charakterze dyskusyjnym. Wynikają one raczej ze sposobu odbioru rozprawy przez krytyka naukowego i nie muszą być ani trafne ani zobowiązujące dla Autora opracowania. a) Podstawowe pytanie to, dlaczego Autor analizuje odpowiedź konstrukcji bez uwzględniania początkowych warunków brzegowych, chodzi głównie o istniejący przed przyłożeniem obciążenia impulsowego stan wytężenia konstrukcji? Przecież w rozwiązaniach nieliniowych stan superpozycji nie obowiązuje, przez co 6

7 rozwiązanie właściwe może odbiegać od stanu jaki wykazuje Autor w swojej rozprawie. b) W przykładzie 1 rozdział 5 Autor przedstawia wyniki obliczeń dynamicznych dla belki-płyty w postaci zmian wybranych parametrów w funkcji czasu. Pomiędzy eksperymentem badawczym i przewidywaniami teoretycznymi, i pomiędzy eksperymentem numerycznym istnieje konsensus jakościowy układ zachowuje się przewidywalnie natomiast zauważono niewielkie rozbieżności opisu ilościowego. Jest to prawdopodobnie efekt uproszczenia modelu do postaci 2-wymiarowej. Czy analiza 3D, zdaniem Autora, poprawiłaby dokładność rozwiązania? c) W tym samym rozdziale, przykład 3, Autor wprowadza pojęcie tłumienia geometrycznego. Autor nie objaśnił, czym ono jest powodowane w tym konkretnym przykładzie obliczeniowym? 3.3. Uwagi redakcyjne Rozprawa zredagowana jest poprawnie i starannie graficznie. Jednakże Autor nie ustrzegł się błędów redakcyjnych i stylistycznych, przykładowo, - s. 9 w pracach [15]., - s. 11 teorie rozwijali, - s m, itp., a ponadto: - s. 79 błąd w opisie rys. 5.6 rzyczywisty, - s. 135 błąd w opisie rys żebletowa, - s. 139 błąd w opisie rys żebletowa, - rysunki nie są jednolicie opisane, chodzi o krój i różne wysokości czcionki, np. porównaj rys z innymi, - itp. 4. Wnioski końcowe Recenzowana rozprawa doktoranta kpt. mgr inż. Bartłomieja Pieńko pt. Mechanizm formowania się odłamów w elementach konstrukcyjnych schronu stanowi oryginalne opracowanie aplikacyjne wynikające z zastosowania zasad mechaniki 7

8 budowli do rozwiązywania wybranych problemów technicznych w budownictwie wojskowym i cywilnym. Tematyka rozprawy ma duży potencjał aplikacyjny, szczególnie w zakresie sztuki niszczenia obiektów budowlanych jak i zapobieganiu ich destrukcji w stopniu umożliwiającym bezpieczną ewakuację osób, jak spełnienie założonych funkcji obronnych danej konstrukcji. Uwagi krytyczne mają charakter w dużej mierze dyskusyjny i polemiczny, i nie umniejszają merytorycznej wartości pracy. Podsumowując niniejszą opinię stwierdzam, że rozprawa doktorska Bartłomieja Pieńko pt. Mechanizm formowania się odłamów w elementach konstrukcyjnych schronu spełnia wszystkie warunki merytoryczne i formalne, którym powinna odpowiadać rozprawa doktorska, określone w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 wraz z późniejszymi zmianami. Stawiam zatem wniosek o dopuszczenie jej do publicznej obrony i nadanie jej Autorowi stopnia naukowego doktora nauk technicznych. Rozprawa w pełni zasługuje na wyróżnienie przez Radę Wydziału o co recenzent wnioskuje. Białystok, r. dr hab. inż. Tadeusz Chyży, prof. nzw. 8