Wprowadzenie do WM 2012.doc 1

Marian Ostwald Instytut Mechaniki Stosowanej

Zakład Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW Zagadnienia wybrane

Materiały uzupełniające do podręczników:

Wersja 05 (2012)

Marian Ostwald: PODSTAWY WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie V poprawione, Poznań 2012

Marian Ostwald: WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW. ZBIÓR ZADAŃ. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Wydanie II poprawione, Poznań 2012

Wprowadzenie do WM 2012.doc 2

STRUKTURA MECHANIKI

MECHANIKATEORETYCZNA (OGÓLNA)

Fizyka Matematyka

Mechanikarelatywistyczna

(skala makro, E = mc2)

Mechanikakwantowa

(skala mikro, chaos)

MECHANIKASTOSOWANA (TECHNICZNA)

(newtonowska)

MECHANIKAPŁYNÓW:- hydromechanika- aeromechanika

MECHANIKAGRUNTÓW

(budownictwo)

MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO: - dynamika - kinematyka - statyka

Doświadczenie

Obserwacjarzeczywistości

Metody i pojęciamatematyki

do badania zjawisk

MECHANIKA CIAŁ STAŁYCH

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW:

MECHANIKA CIAŁ ODKSZTAŁCALNYCH:

- teoria sprężystości- teoria plastyczności- reologia- .............

Galileo’s cantilever model, the most relevant explanatory model developed in the frame-

work of his theory of strength of materials.

Source: Galilei, Galileo, Discorsi e dimostra-tioni matematiche, Intorno à due nuove

scienze, attenenti alla mecanica, & i mo-vimenti locali. Bologna. Per gli HH del Dozza,

1655.

MECHANIKA STOSO-WANA (TECHNICZNA)

PODSTAWY KON-STRUKCJI MASZYN

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Podstawy teoretyczne

Modelowanie,

rozwiązanie

Wdrożenie,

eksploatacja

Wprowadzenie do WM 2012.doc 3

Wytrzymałość materiałów jako mechanika ciała odkształcal-nego korzysta z pojęć statyki, wykorzystuje zasadę zesztyw-nienia (wniosek z doświadczenia!), stosuje uproszczone modele (pręty, wały, belki, pręty uogólnione). Jest to tzw. wytrzymałość klasyczna, stanowiąca fundament bardziej zaawansowanych ob-liczeń wytrzymałościowych, związanych z projektowaniem zło-żonych konstrukcji inżynierskich. Metody te wymagają zastoso-wania matematyki wyższej, niekiedy na bardzo wysokim pozio-mie. Dla otrzymywania praktycznych rozwiązań szeroko stoso-wane są metody numeryczne, wymagające doświadczalnego potwierdzania otrzymanych rozwiązań.

„Filary” wytrzymałości materiałów:

TEORIA PRAKTYKA DOŚWIADCZENIE

Wykład Ćwiczenia Laboratorium

Wprowadzenie do WM 2012.doc 4

Przykładowa mapa myśli określająca związki WM z otoczeniem

Nowoczesne materiały konstrukcyjne

1

Epoka stali powoli się kończy. Wniosek: nowe materiały (np. kompozyty) wymagają zastosowania nowych metod projektowania i wytwarzania – podejście systemowe zwiększa potencjalne korzyści ze stosowania nowych materiałów.

1 Dobrzański L. A.: Metalowe materiały inżynierskie. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 5

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW (Inne określenia: wytrzymałość konstrukcji, mechanika konstrukcji,

mechanika ciał odkształcalnych)

Mechanika i wytrzymałość materiałów należą do najstarszych obszarów ludzkiej ak-tywności2. Termin „wytrzymałość materiałów” ma dzisiaj znaczenie historyczne, po-siadające swoje odpowiedniki w wielu językach (ang. strength of materials, niem. ma-terial-festigkeit, franc. résistance des matériaux, ros. soprotivlenie materialov).

CEL: Projektowanie i wytwarzanie bezpiecznych i niezawod-nych konstrukcji, urządzeń i systemów technicznych.

NARZĘDZIE: SYSTEMOWE WIDZENIE RZECZYWISTOŚCI.

Teoria systemów Inżynieria systemów

METODA: Złożoność współczesnych problemów technicznych wymaga SYSTEMOWEGO WIDZENIA RZECZYWISTOŚCI. Warunki te spełnia PROJEKTOWANIE SYTEMOWE

3 (projekto-

wanie mechatroniczne).

ZADANIE: kompromis między wymaganiami typu „hard” (bez-pieczeństwo) i „soft” (np. negocjowane koszty, ocena ryzyka).

OGRANICZENIA: projektowanie uwzględniające CYKL ŻYCIA WYROBU TECHNICZNEGO oraz KOSZTY CYKLU ŻYCIA.

2 S. P.Timoszenko: „Historia wytrzymałości materiałów”. Warszawa, Arkady 1966.

3 Patrz: E-skrypt: „WPROWADZENIE DO POP 2011”

Potrzeba Projektowanie Dystrybucja Eksploatacja Likwidacja

Nowa

potrzeba

Optymalne projektowanie

konstrukcji

MECHANIKA (teoria)

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIA-ŁÓW (model)

PODSTAWY KONSTRUKCJI

MASZYN (wdrożenie)

SYSTEM WARTOŚCI KRYTERIUM

OPTYMALIZACYJNE

(koszt wyrobu)

Zarządzanie produkcją

Wytwarzanie

Marketing

Inżynierskie widzenie otoczenia

Wprowadzenie do WM 2012.doc 6

CYKL ŻYCIA WYROBU KOSZT CYKLU ŻYCIA

SZEROKO ROZUMIANE KOSZTY SĄ OBECNIE PODSTAWOWYM ELEMENTEM PROJEKTOWANIA

KONSTRUKCJI (SYSTEMÓW) TECHNICZNYCH

Motto inżynierii systemów:

DZIAŁAMY LOKALNIE, MYŚLIMY GLOBALNIE TRZEBA WIDZIEĆ LAS, A NIE POJEDYNCZE DRZEWA.

Absolwent wyższej uczelni (technicznej) jest AKTYWNYM członkiem społeczeństwa wiedzy.

WIEDZA W GOSPODARCE I SPOŁECZEŃSTWIE

DANE INFORMACJA WIEDZA MĄDROŚĆ

Zbiór danych nie jest informa-cją.

Zbiór informacji nie jest wiedzą.

Zbiór wiedzy nie jest mądro-ścią.

Zbiór mądrości nie jest prawdą.

Wykształcenie wszechstronne jest kształceniem uniwersal-nym, bo wyposaża człowieka w umiejętność odnalezienia się w zmieniającym się świecie, do którego zmieniających

się reguł trzeba się dostosować. Jerzy Stempowski

Niezbędnym elementem inżynierskiego widzenia otoczenia jest wypracowanie odpowiedniej motywacji do działania.

Jest to stan gotowości do podjęcia określonego działania, wzbudzony potrzebą zespół procesów psychicznych i fizjolo-gicznych określający podłoże zachowań i ich zmian. Motywacja to wewnętrzny stan człowieka mający wymiar atrybutowy. Jeżeli człowiek jest świadomy wyniku wykonywanych czynności wów-czas ten wynik będzie nazywany celem.

DANE

INFORMACJA

DANE

WIEDZA

MĄDROŚĆ

Zrozumienie relacji

Zrozumienie wzorców

Zrozumienie zasad

ZROZUMIENIE

PO

ŁA

CZ

EN

IOW

OŚ

Ć

KO

NT

EK

ST

OW

OŚ

Ć

(c

on

necte

dn

ess)

(understanding)

Wprowadzenie do WM 2012.doc 7

Relacje zrozumienie – kontekst należy uzupełnić o MOTY-WACJĘ pobudzającą do kreatywnych działań.

RELACJE: ZROZUMIENIE – KONTEKST + MOTYWACJE

PRAWDA

Zrozumienie

Kontekst

Motywacje

Dane

Informacje

Wiedza

Mądrość

Zrozumienie relacji

Poznanie wzorców

Zaakceptowanie zasad

PRAWDA

Odpowiednio ukierunkowane motywacje są istotnym elementem procesu projek-towania systemowego4.

Inżynierskie widzenie otoczenia (fragmentu rzeczywistości).

CECHY ABSOLWENTA WYŻSZEJ UCZELNI TECHNICZNEJ PRZYDATNE W INŻYNIERSKIM WIDZENIU OTOCZENIA:

1. Wiedza 2. Umiejętności 3. Kreatywność 4. Zrozumienie otaczającej rzeczywistości 5. Hierarchia wartości

INŻYNIER – absolwent studiów technicznych, wyposażony w wiedzę z przedmiotów ścisłych i inżynierskich wykorzy-stujących nauki matematyczne, charakteryzujący się dys-cypliną umysłową, umiejętnością kojarzenia faktów oraz dbałością w komunikowaniu się ze środowiskiem i otocze-niem.

INŻYNIER kieruje swoje doświadczenie i wiedzę, w szczegól-ności nabyte w okresie studiów wiadomości z nauk przyrodni-czych i matematycznych na zaspokojenie potrzeb społecznych, przy czym dobiera on środki tak, aby w sposób ekonomiczny wykorzystać zasoby i siły przyrody dla dobra ludzkości.

(Verein Deutscher Ingenieure VDI, 1971)

4 Patrz E-skrypt: „Motywacja w działalności inżynierskiej”

Wprowadzenie do WM 2012.doc 8

INŻYNIER = WIEDZA + UMIEJĘTNOŚCI + DOŚWIADCZENIE

INŻYNIER – absolwent uczelni technicznej, reprezentant tech-niki o uniwersalnym charakterze.

INŻYNIER = kwalifikacje techniczne

+

menedżerskie

ekonomiczne

społeczne

humanistyczne

INŻYNIER rozwiązuje istniejące problemy, ale również generuje nowe. Nowe rozwiązania techniczne kreują nowe problemy społeczne, ekologiczne, moralne (przemysł zbrojeniowy) i inne.

Miejsce mechaniki i wytrzymałości materiałów w projektowaniu

Konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być odpo-wiednio trwałe, ekonomiczne i niezawodne. Szczególną uwagę należy przykładać do BEZPIECZEŃSTWA I NIEZA-

WODNOŚCI DZIAŁANIA konstrukcji (zdrowia i życia ludzi).

Określenie właściwego poziomu bezpieczeństwa konstrukcji jest problemem społecznym, ekonomicznym i technicznym. Problem bezpieczeństwa konstrukcji wymaga zastosowania odpowiednich form konstrukcyjnych, właściwych materiałów oraz metod obli-czeniowych.

WSPÓŁCZESNA TECHNIKA NIE JEST W STANIE ZAPEWNIĆ

CAŁKOWICIE BEZPIECZNYCH I NIEZAWODNYCH KONSTRUKCJI (WYSOKI POZIOM KOSZTÓW).

METODA: PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (OPTYMALNE)

K O M P R O M I S

Wprowadzenie do WM 2012.doc 9

MIEJSCE WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW W NAUKACH INŻYNIERSKICH (MECHANICZNYCH)

Mechanika teoretyczna

Normy, przepisy,

dyrektywy

Mechanika stosowana

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Podstawy konstrukcji maszyn

Prawa Newtona WDROŻENIE

Znaczenie praw Newtona (1687) w technice XXI wieku:

1. Prawa Newtona umożliwiają opis każdego zjawiska fizycznego za pomocą

równań różniczkowych. Punktem odniesienia jest Ziemia. PROBLEM: zna-lezienie rozwiązań.

2. Wykorzystanie komputerów do rozwiązywania problemów technicznych. PROBLEM: komputer „nie myśli” oraz komputer „oszukuje” (binarny zapis liczb wymusza ich zaokrąglanie).

3. Człowiek spostrzega rzeczywistość za pomocą ograniczonych zmysłów (wzrok – 300-950 nm + kolor, słuch – 16-20000 Hz). Mózg człowieka (naj-doskonalszy „komputer”) przetwarza porcje informacji w specyficzny spo-sób (porównaj – złudzenia optyczne + iluzja, kompresja stratna plików MP3, MPEG4).

4. Zarówno człowiek jak i komputer widzą i oceniają rzeczywistość w pew-nym przybliżeniu (suwmiarka – pomiar z dokładnością do 0,1 mm, mikro-metr – 0,001 mm).

5. Ważność praw Newtona wynika z ograniczeń człowieka jak i ograniczeń komputerów.

WNIOSEK: w technice (w tym w WM) stosowanie opisu rzeczywistości za po-mocą modeli, stosowanie uproszczeń i przybliżeń jest uzasadnione. PRO-BLEM: adekwatność modeli do rzeczywistości. ROZWIĄZANIE: doświadczenie i eksperyment (filar WM), weryfikacja i walidacja rozwiązań.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 10

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW JEST ŚCIŚLE ZWIĄZANA Z PRZEDMIOTEM PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN

(CZĘŚCI MASZYN) Podstawy konstrukcji maszyn (maszynoznawstwo) – dziedzina inżynierii me-chanicznej obejmująca projektowanie i dobór elementów mechanizmów, urzą-dzeń i maszyn. W szczególności PKM to konstruowanie i dobór połączeń, łoży-skowań, konstruowanie wałów i osi, sprzęgieł, hamulców przekładni itd. Istotną częścią PKM jest odpowiedni dobór tolerancji wykonawczych, tolerancji kształ-tów (płaskości, okrągłości), dobór pasowań (tolerancji wałków i otworów), pa-rametrów jakości powierzchni (chropowatości, płaskości, falistości).

Normalizacja części maszyn

Normalizacja jest działalność mająca na celu uzyskanie optymalnego w danych warunkach stopnia uporządkowania w określonym zakresie, poprzez ustalenie postanowień przeznaczonych do powszechnego i wielokrotnego stosowania, dotyczących problemów istniejących lub możliwych do wystąpienia. Działalność ta polega w szczególności na opracowywaniu, publikowaniu i wdrażaniu norm.

Potrzeba normalizacji została zrodzona w wyniku rozwoju produkcji seryjnej i masowej (zamienność części). W procesie projektowania koniecznością stało się ujednolicanie pojęć, terminów, nazw, symboli, metod obliczeń, sposobów badań, produkcji i kontroli, określanie warunków eksploatacji, przechowywa-nia, transportu oraz likwidacji.

Normalizacja skraca cykl przygotowania wyrobów technicznych.

Ograniczenie wyboru do wartości znormalizowanych ogranicza kreatywność konstruktora, rzutuje na zwiększenie kosztów (masy) projektowanych elemen-tów. Inżynier – projektant w procesie obliczeń wytrzymałościowych dobiera konkretne rozwiązania w oparciu o właściwe normy. Normalizacja ma jednak głęboki sens ekonomiczny. Odstępstwa od norm wymagają wielu uzgodnień. NORMALIZACJA WYMAGA STOSOWANIA W PROJEKTOWANIU KOMPROMISU.

NORMA – dokument przyjęty na zasadzie konsensusu i zatwierdzony przez upoważnioną jednostkę organizacyjną.

PN-EN:45020:2000 „Normalizacja i dziedziny związane. Terminologia ogólna”

Normy – zbiory przepisów opisujących cechy i właściwości elementów kon-strukcyjnych (normy międzynarodowe, dyrektywy UE, normy państwowe,

branżowe, zakładowe).

UNIFIKACJA (typizacja) – działalność w celu zmniejszenia różnorodności norm (wyrobów, czynności).

„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa

Wprowadzenie do WM 2012.doc 11

PODSTAWOWE ZASADY PROJEKTOWANIA:

I ZASADA KONSTRUKCJI KONSTRUKCJA POWINNA SPEŁNIAĆ WSZYSTKIE

PODSTAWOWE WARUNKI KONSTRUKCYJNE W STOPNIU NIE GORSZYM OD ZAŁOŻONEGO

II ZASADA KONSTRUKCJI KONSTRUKCJA POWINNA BYĆ OPTYMALNA

W DANYCH WARUNKACH ZE WZGLĘDU NA PODSTAWOWE KRYTERIUM OPTYMALIZACYJNE

Oprócz podstawowych zasad konstrukcji istnieje wiele zasad szczegó-

łowych, które konstrukcja musi spełniać w stopniu nie gorszym od zało-żonych na początku procesu projektowania (narzuconych przez klienta), zgodnie z I zasadą konstrukcji.

Najważniejsze szczegółowe zasady konstrukcji:

bezpieczeństwo

funkcjonalność

niezawodność i trwałość

sprawność

prawidłowość doboru materiałów

dobór właściwej technologii

lekkość

ergonomiczność

łatwość eksploatacji i napraw

niskie koszty eksploatacji

zgodność z obowiązującymi normami, dyrektywami i przepi-sami

łatwość likwidacji

inne zasady i wymagania. Praca zbiorowa pod red. Zbigniewa Osińskiego: PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN, Wyd Naukowe PWN 2003

Wprowadzenie do WM 2012.doc 12

PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (MECHATRONICZNE)

PROJEKTOWANIE (KONSTRUOWANIE) – całokształt działań

mających na celu określenie sposobu zaspokojenia określonej potrzeby, prowadzonych według zasad metodologicznych projektowania optymal-nego od stanu początkowego do stanu końcowego.

STAN POCZĄTKOWY: potrzeba uświadomiona,

potrzeba intuicyjna,

potrzeba wykreowana.

Potrzeba: kreacja potrzeby proces decyzyjny DECYZJA budowa nowego urządzenia (systemu) technicznego,

modernizacja znanego rozwiązania,

zakup licencji (technologii, know-how),

zakup gotowego wyrobu (import).

STAN KOŃCOWY: system, wyrób, obiekt, program, proces, organi-

zacja zaspokajająca zdefiniowaną potrzebę.

Wymiary i perspektywy poznawcze mechatroniki

jako części inżynierii systemów Patrz: E-skrypt „Mechatronika dla mechaników”.

Rozwój systemów technicznych ograniczających rolę człowieka

LEKCJA NATURY

Wprowadzenie do WM 2012.doc 13

KRYTERIA OCENY KONSTRUKCJI

Przy podejmowaniu decyzji o wyborze należy posługiwać się zbiorem kryteriów oceny rozwiązania (konstrukcji).

„Podstawy konstrukcji maszyn” pod red. Marka Dietricha, t. 1, WNT Warszawa

1. KRYTERIUM BEZPIECZEŃSTWA

Wyrób nie powinien zagrażać użytkownikom. Nie wolno dopuszczać do powstania zagrożeń (ocena zagrożenia – subiektywna). Nadzór państwa – dozór techniczny. Dyrek-tywy Unii Europejskiej, normy ISO, firmy ubezpieczeniowe. Ocena ryzyka związanego z zagrożeniami (jednym z celów projektowania mechatronicznego jest ograniczenie roli człowieka).

2. KRYTERIUM NIEZAWODNOŚCI

Kryterium ściśle związane z kryterium bezpieczeństwa. Systemy – awaria jednego elementu może doprowadzić do zniszczenia całego systemu. SYSTEM JEST TAK NIEZAWODNY, JAK JEGO NAJ-SŁABSZY ELEMENT. Najczęściej najsłabszym elementem systemu jest człowiek.

3. KRYTERIUM MASY

4. KRYTERIUM EKONOMIKI EKSPLOATACJI

5. KRYTERIUM TECHNOLOGICZNOŚCI

6. KRYTERIUM ERGONOMII I ESTETYKI

7. KRYTERIUM EKOLOGICZNOŚCI

Podejście systemowe (holistyczne) do procesu projektowania pozwala na ocenę ważności kryteriów oceny i wypracowanie rozwiązania kompromisowego.

Waga poszczególnych kryteriów – proces decyzyjny, w którym uczestniczą klienci, decydenci, konstruktorzy i ekonomiści.

ROLA I ZNACZENIE PROJEKTOWANIA OPTYMALNEGO5

5 Patrz: Marian Ostwald: „Podstawy optymalizacji konstrukcji”. Wydawnictwo Politechniki Poznań-

skiej 2005.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 14

SYSTEM C – T – O (Człowiek – Technika – Środowisko)

Przesłanki do rozwoju dyscyplin naukowych związanych z bezpieczeń-stwem i niezawodnością:

Złożoność współczesnych i przyszłych zadań związanych z techniką i wzrost stopnia złożoności obiektów technicznych (lotnictwo).

Wzrost potencjalnych strat związanych z niesprawnością systemów technicznych oraz niesprawnością człowieka.

Wzrost synergicznych relacji człowiek – technika (oprócz wyraźnych korzyści – możliwość powstania olbrzymich strat).

NOWE DYSCYPLINY NAUKOWE:

nauka o bezpieczeństwie, nauka o niezawodności, nauka o ryzyku, nauka o ochronie środowiska.

KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH

Wprowadzenie do WM 2012.doc 15

PROCES PROJEKTOWANIA JEST PROCESEM DECYZYJNYM. KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE DECYZJI

Rozwój technologii informatycznych umożliwił zastosowanie systemów kompu-terowych w procesach decyzyjnych, szczególnie tam, gdzie do podjęcia decy-zji konieczne jest szybkie przetworzenie ogromnych ilości danych lub gdzie charakterystyka sytuacji decyzyjnej wymaga zastosowania skomplikowanych obliczeniowo modeli.

TEORIA DECYZJI – obszar zainteresowań wielu różnych dziedzin nauki, obejmujący analizę i wspomaganie procesu podejmowania decyzji. Korzystają z niej i rozwijają ją: kognitywistyka, matematyka, statystyka, psychologia, so-cjologia, ekonomia, zarządzanie, filozofia, informatyka, medycyna. Działy: klasyczna inżynieryjna teoria decyzji – szukanie rozwiązań optymalnych

(najlepszych) w dziedzinie problemów dobrze sformalizowanej, tzw. well defined problems (modele matematyczne).

kognitywistyczne teorie decyzji – które szukają rozwiązań wystarczają-cych (skutecznych) dla tzw. real world problems oraz ill defined problems (modele rozmyte, nieprecyzyjne, opisowe).

Klasyczna teoria decyzji zajmuje się: analizą decyzji – rozpatrywanie konkretnych przypadków decyzji podjętej

przez osobę lub grupę osób w celu wyznaczenia decyzji optymalnej oraz, jeśli podjęta decyzja nie była optymalna, znalezieniu przyczyn pomyłki.

wspomaganiem decyzji – próba wyznaczenia rozwiązania najlepszego przy danym zasobie wiedzy i informacji o możliwych konsekwencjach. Do-tyczy to również podejmowania decyzji grupowych.

SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE PODEJMOWANIE DECYZJI (Decision Support Systems DSS) – systemy tworzące raporty i zestawienia, które do-starczane są kierownictwu w ramach systemów informowania kierownictwa EIS (Executive Information Systems).

Kilka kryteriów oceny decyzji –wielokryterialna analiza decyzyjna (optymali-zacja wielokryterialna). Dwa nurty analizy decyzyjnej: wielokryterialne podej-mowanie decyzji oraz wielokryterialne wspomaganie decyzji.

SZTUCZNA INTELIGENCJA – dział informatyki badający reguły rządzące in-teligentnymi zachowaniami człowieka w celu tworzenia programów kompute-rowych symulujących te zachowania.

SIECI NEURONOWE – komputerowe modele symulujące działanie ludzkiego mózgu, przydatne w rozpoznawaniu wzorców, ich klasyfikacji, analizie itp., przydatne w procesach sterowania i podejmowania decyzji (sieci samouczą-ce). Przykładowe zastosowania – medycyna, planowanie remontów, optymali-zacja działań, programy OCR).

SYSTEMY EKSPERTOWE – program (zestaw programów) wspomagających wykorzystanie wiedzy zawartej w bazach wiedzy, opartej o wiedzę ekspertów, dostarczające zaleceń, diagnoz i ułatwiające podejmowanie decyzji (medycy-na).

Wprowadzenie do WM 2012.doc 16

ROLA I ZNACZENIE WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

1. O stopniu bezpieczeństwa i niezawodności w pierwszym rzędzie de-cyduje spełnienie określonych warunków wytrzymałościowych.

2. Stosowanie warunków wytrzymałościowych wymaga gruntownej wie-dzy teoretycznej i praktycznej, związanej z odpowiednimi metodami obliczeniowymi adekwatnymi do stopnia złożoności wyrobu technicz-nego (metody analityczne i energetyczne, metoda elementów skoń-czonych, technologie informatyczne, oprogramowanie CAx).

3. Stosowanie warunku wytrzymałościowego wymaga określenia wła-ściwych współczynników bezpieczeństwa. Właściwy dobór współ-czynników bezpieczeństwa ma bezpośredni wpływ na koszty wyrobu (znaczenie ekonomiczne) jak i na bezpieczeństwo i niezawodność wyrobu (konstrukcji).

4. Określanie współczynników bezpieczeństwa jest bezpośrednio zwią-zane z wykształceniem inżynierskim, wymagającym oprócz szerokiej wiedzy jawnej dysponowania głęboką wiedzą ukrytą (doświadcze-nie, praktyka, wyobraźnia, otwartość, motywacja).

5. Podejmowanie decyzji o wyborze współczynnika bezpieczeństwa wymaga od inżyniera zaakceptowania odpowiednio skalkulowanego ryzyka. Podjęcie ryzyka wymaga umiejętności uzasadnienia swojego wyboru.

6. Współczesny inżynier musi posiadać szeroką wiedzę techniczną, ekonomiczną, menedżerską itp. – WIEDZĘ SYSTEMOWĄ.

7. Wiedza systemowa pozwala na projektowanie konstrukcji przewi-dzianych do pracy w normalnych warunkach eksploatacji. Wiedza systemowa pozwala także przewidzieć zjawiska (wydarzenia losowe) mogące mieć negatywne wpływ na projektowaną konstrukcję w nieo-kreślonej przyszłości (czasoprzestrzeni), w czasie całego cyklu życia wyrobu technicznego.

8. Współczesny inżynier ma możliwość tworzenia bezpiecznych i niezawodnych wyrobów technicznych, uwzględniając akcepto-walne koszty (koszty całego życia systemów).

PRZYCZYNĄ NIEPOWODZEŃ WIELU PRZEDSIĘWZIĘĆ JEST NIE-PRZYSTAJĄCY DO STOPNIA ZŁOŻONOŚCI WYROBU SPOSÓB MYŚLENIA:

– myślenie redukcjonistyczne,

– rutynowe (mechanistyczne) podejście do problemu,

– niepełna, fragmentaryczna znajomość działania złożonych całości.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 17

NAPRĘŻENIA DOPUSZCZALNE

Naprężenia dopuszczalne są miarą wytężenia materiału:

,nnieb

dop

gdzie: nieb – naprężenie przyjęte za niebezpieczne (granica plastycz-

ności, wytrzymałość materiału na rozciąganie), n – współczynnik bezpieczeństwa.

Współczynnik bezpieczeństwa n musi być większy od 1.

Właściwy dobór współczynnika bezpieczeństwa to jedno z podstawo-wych zagadnień w projektowaniu. Wymagania:

Znajomość całokształtu problemów konstrukcyjnych, technologicz-nych i eksploatacyjnych – WIEDZA SYSTEMOWA, z uwzględnie-niem wpływu działalności inżynierskiej na środowisko (otoczenie).

Posiadanie wiedzy teoretyczną (wiedza jawna), oraz odpowiedniej wiedzy praktycznej (wiedza ukryta).

Odpowiedzialność i samokontrola, asertywność, umiejętność podejmowania decyzji i skalkulowanego ryzyka.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYBÓR WSPÓŁCZYNNIKA BEZPIECZEŃSTWA:

1. Niejednorodna struktura materiału (wtrącenia).

2. Naprężenia wstępne (obróbka cieplna, naprężenia montażowe, na-prężenia termiczne).

3. Charakter obciążenia:

losowość obciążenia (obciążenia przypadkowe),

zmienność obciążenia (zmęczenie materiałów),

obciążenia dynamiczne (udarowe).

4. Warunki eksploatacji (zużycie, korozja).

5. Spiętrzenia naprężeń (karby, niedokładności wykonania i obciążenia).

6. Niedoskonałość metod obliczeniowych:

zbyt daleko idące uproszczenia,

błędy modelowania,

niedoskonałość metod analitycznych.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 18

W nowocześnie rozumianej wytrzymałości materiałów zaczyna domi-nować tendencja do bardzo precyzyjnego określania rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa. Jest to zagadnienie o złożonym cha-rakterze, wymagającym uwzględnienia:

aspektów ekonomicznych (kosztów projektowanych konstrukcji),

aspektów bezpiecznej pracy konstrukcji,

aspektów niezawodnej pracy konstrukcji.

Uwzględnienie tych i innych aspektów powoduje, że obliczenia wy-trzymałościowe stają się coraz bardziej skomplikowane, odpowiedzialne i wymagają stosowania najnowszych osiągnięć nauki, techniki kompute-rowej i informatyki. OBLICZENIA TE MAJĄ CHARAKTER SYSTEMOWY (MECHATRONICZNY) – PROJEKTOWANIE SYSTEMOWE (projekto-wanie uwzględniające optymalizację konstrukcji).

Konstrukcja bezpieczna oprócz spełnienia warunków bezpiecznej pracy (wytrzymałości i sztywności) musi także sygnalizować przeciąże-nie konstrukcji (rysy, pęknięcia, osiadanie). Konstrukcja powinna być tak zaprojektowana, aby umożliwić ewakuację ludzi i sprzętu (nie ulegać nagłemu, nie sygnalizowanemu zniszczeniu).

WARUNEK WYTRZYMAŁOŚCIOWY

.dopmax

Warunek wytrzymałościowy stanowi podstawę obliczeń wytrzymało-ściowych na „naprężenia dopuszczalne”. Prostota tego warunku powo-duje, że dominuje on w procesach projektowania większości konstrukcji inżynierskich. Z warunku wynika, że o wytrzymałości całej konstrukcji decyduje jej najsłabszy element, w którym pojawią się naprężenia do-puszczalne. Korzystanie z niego umożliwia zrealizowanie obu zadań wy-trzymałości materiałów, czyli:

– określenie dopuszczalnych obciążeń konstrukcji o znanych wy-miarach,

– określenie koniecznych wymiarów konstrukcji dla zadanego ob-ciążenia. Postawą obliczeń wytrzymałościowych są właściwości materiału uzy-

skane za pomocą statycznej próby rozciągania.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 19

INNE WARUNKI WYTRZYMAŁOŚCIOWE:

Warunek sztywności konstrukcji: ,LL dop .ww, dopdop

Warunek stateczności konstrukcji (konstrukcje cienkościenne) krPP ,

gdzie Pkr to obciążenie krytyczne dla danej konstrukcji.

Warunek wytrzymałości zmęczeniowej.

Inne – np. warunek na pełzanie.

PRAKTYKA INŻYNIERSKA: jednoczesne spełnianie ww. warunków.

Obliczenia wytrzymałościowe oparte na koncepcji naprężeń dopusz-czalnych są powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej. Ich wadą jest to, że o bezpieczeństwie całej konstrukcji decyduje wartość na-prężenia w jednym tylko miejscu. Jest to sposób projektowania zakła-dający, że o wytrzymałości całej konstrukcji decyduje jej najsłabszy ele-ment. Gdy w konstrukcji występują spiętrzenia naprężeń, ścisłe trzyma-nie się tego sposobu (koncepcji, filozofii projektowania) prowadzi do jej przewymiarowania. W związku z tendencją do urealniania współczynni-ków bezpieczeństwa coraz częściej stosuje się inne koncepcje obliczeń.

INNE METODY PROJEKTOWANIA KONSTRUKCJI

1. Metoda nośności granicznej – stosowana w konstrukcjach statycz-nie niewyznaczalnych wykonanych z materiałów o wyraźnej granicy plastyczności (stale niskowęglowe). Korzyść – obniżenie kosztów ma-teriałowych.

2. Metoda stanów granicznych – stanu granicznego nośności lub stanu granicznego użytkowania. Metoda oparta jest określeniu tzw. wytrzy-małości obliczeniowej. Metoda oparta jest na sformalizowanych mię-dzynarodowych przepisach i normach (np. Polskie Normy, eurokody, przepisy dozoru technicznego, normy branżowe).

3. Metody numeryczne: metoda elementów skończonych MES (Finite Element Method FEM), metoda różnic skończonych MRS (Finite Diffe-rence Method FDM), metoda elementów brzegowych MEB (Boundary Element Method BEM) i inne.

Zalety MES: określanie rzeczywistych współczynników bezpieczeństwa, odejście od filozofii projektowania na „najbardziej obciążony element”

i wyrównanie wartości naprężeń w całej konstrukcji.

Wady MES: eksperyment numeryczny, konieczność doświadczalnej weryfikacji rozwiązań.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 20

THE CODES

The 58 parts of the Eurocodes are published under 10

area headings. The first two areas – basis and actions –

are common to all designs, six are material-specific and

the other two cover geotechnical and seismic aspects.

EN1990 Eurocode 0: Basis of structural design

EN1991 Eurocode 1: Actions on structures

EN1992 Eurocode 2: Design of concrete structures

EN1993 Eurocode 3: Design of steel structures

EN1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures

EN1995 Eurocode 5: Design of timber structures

EN1996 Eurocode 6: Design of masonry structures

EN1997 Eurocode 7: Geotechnical design

EN1998 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance

EN1999 Eurocode 9: Design of aluminium structures

By March 2010 the Eurocodes will be mandatory for European public works and likely to become the de-facto standard for the private sector – both in Europe and world-wide. They will also provide the framework for standards used in assessing struc-tural products for their essential CE marking.

http://www.eurocodes.co.uk/

European Committee for Standardization

Members, affiliates, and partner

standardisation bodies of the ECS.

The European Committee for Standardization or Comité Européen de Normalisation (CEN), is a non-profit organisation whose mission is to foster the European economy in global

trading, the welfare of European citizens and the environment by providing an efficient infrastructure to interested parties for the development, maintenance and distribution of coherent sets of standards and specifications. The CEN was founded in 1961.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 21

BEZPIECZEŃSTWO KONSTRUKCJI

1. Konstrukcja powinna być tak zaprojektowana, aby można byłoby ją bezpiecznie zmontować (naprężenia montażowe) oraz bezpiecznie użytkować (eksploatować).

2. Konstrukcja powinna spełniać założone parametry w normalnych wa-runkach eksploatacji.

3. Konstrukcja powinna być trwała, niezawodna i zaprojektowana eko-nomicznie w kontekście całego jej cyklu życia (w tym również koszty likwidacji).

4. Konstrukcja powinna być odporna na wydarzenia losowe (obciążenia udarowe, awarie, pożary, wybuchy i wydarzenia losowe typu trzęsie-nia ziemi, powodzie i wybuchy wulkanów).

5. W przypadku awarii konstrukcja nie powinna stwarzać nadmiernego zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi.

6. Przed oddaniem konstrukcji do eksploatacji należy dokonać staty-stycznej i probabilistycznej oceny jej bezpieczeństwa (ocena staty-styczna – ewidencja awarii i katastrof, ocena probabilistyczna – przewidywanie prawdopodobieństwa wystąpienia stanów niebez-piecznych, np. przy wyborze współczynników bezpieczeństwa).

7. W procesie projektowania należy uwzględnić fakt, że w trakcie budo-wy i użytkowania konieczne będzie zapewnienie odpowiedniej kontro-li jakości materiałów, jakości wykonania elementów i ich montażu. Ważnym zadaniem jest także określenie zakresów odpowiedzialności poszczególnych organów kontrolnych i nadzorczych.

8. W procesie projektowania należy uwzględnić fakt zwiększania się awaryjności konstrukcji w miarę przedłużania się czasu jej eksploat-owania (zmęczenie materiałów, korozja, starzenie stali itp.)

Według badań szwajcarskich, 80% awarii w budownictwie jest spo-wodowane błędami ludzkim. Czynnikami subiektywnymi są:

– Niewłaściwie przyjęte modele obliczeniowe i procedury projektowa-nia.

– Błędy i zaniedbania w trakcie realizacji konstrukcji.

– Niski poziom przygotowania zawodowego projektantów, wykonaw-ców i użytkowników.

– Brak kompetencji organów nadzorczych.

Żmuda J.: „Podstawy projektowania konstrukcji metalowych”, Arkady 2007

Wprowadzenie do WM 2012.doc 22

Opinie na temat projektowania bezpiecznych konstrukcji:

„Konstrukcje i elementy konstrukcyjne powinny być odpowiednio trwałe, ekonomicz-ne i projektowane z odpowiednim stopniem awaryjności. W procesie projektowania należy uwzględniać konsekwencje awarii tak ze względu na zdrowie i życie ludzi, jak też z uwagi na to, czy zniszczenie będzie nagłe (kruche) czy też dające szanse ra-tunku (ciągliwe)”.

„Określenie właściwego poziomu bezpieczeństwa konstrukcji jest problemem spo-łecznym, ekonomicznym i technicznym. Cel ten osiąga się poszukując takich form konstrukcyjnych, materiałowych oraz metod obliczeniowych, które zapewniając reali-zację zapotrzebowań społecznych i właściwy poziom bezpieczeństwa konstrukcji, pozwalałyby na minimalizację społecznych kosztów jej wykonania, montażu i eksplo-atacji”.

Żółtowski W., Łubiński M., Filipowicz A.: „Konstrukcje metalowe”, Arkady 2007.

„Awarie i katastrofy obiektów (…) towarzyszą człowiekowi od zawsze. Ich występo-wanie jest dowodem naszej ograniczonej wiedzy. Są negatywną odpowiedzią rze-czywistej konstrukcji na błędy popełniane na etapie projektowania, wznoszenia obiektów oraz jego eksploatacji. Niestety, nie jest możliwe projektowanie obiektów (…), które nie posiadałyby wad, imperfekcji oraz innych właściwości nieznanych na etapie tworzenia dokumentacji projektowej. Historia pokazuje wiele przykładów, gdzie awarie konstrukcji były przyczynkiem do poznania i opisania zjawisk fizycz-nych, z których istnienia nie zdawano sobie sprawy.”

„Nie jesteśmy w stanie zapobiec wszystkim awariom i katastrofom (…), możemy je-dynie zmniejszać ich liczbę i rozmiary, między innymi poprzez podnoszenie kwalifi-kacji kadr technicznych, wykorzystywanie metod zarządzania ryzykiem czy stosowa-nie specjalistycznych systemów monitorowania obiektów.”

Sieńko R.: „Czy katastrof można uniknąć?”, Biuletyn Małopolskiej Okręgowej Izby Inżynierów Budownictwa, Styczeń - luty 2007, str. 20-23.

Scope of a Safety Engineer http://en.wikipedia.org/wiki/Safety_engineer

To perform their professional functions, safety engineering professionals must have edu-cation, training and experience in a common body of knowledge. They need to have a fun-damental knowledge of physics, chemistry, biology, physiology, statistics, mathematics, computer science, engineering mechanics, industrial processes, business, communication and psychology. Professional safety studies include industrial hygiene and toxicology, design of engineering hazard controls, fire protection, ergonomics, system and process safety, sys-tem safety, safety and health program management, accident investigation and analysis, product safety, construction safety, education and training methods, measurement of safety performance, human behavior, environmental safety and health, and safety, health and envi-ronmental laws, regulations and standards. Many safety engineers have backgrounds or ad-vanced study in other disciplines, such as management and business administration, engi-neering, system engineering, requirements engineering, reliability engineering, maintenance , human factor, operations, education, physical and social sciences and other fields. Others have advanced study in safety. This extends their expertise beyond the basics of the safety engineering profession.

Wprowadzenie do WM 2012.doc 23

Safety engineering http://en.wikipedia.org/wiki/Safety_engineering

Safety engineering is an applied science strongly related to systems engineering and the subset System Safety Engineering. Safety engineering assures that a life-critical system behaves as needed even when pieces fail.

Ideally, safety-engineers take an early design of a system, analyze it to find what faults can occur, and then propose safety requirements in design specifications up front and changes to existing systems to make the system safer. In an early design stage, often a fail-safe system can be made acceptably safe with a few sensors and some software to read them. Probabilistic fault-tolerant systems can often be made by using more, but smaller and less-expensive pieces of equipment.

Far too often, rather than actually influencing the design, safety engineers are assigned to prove that an existing, completed design is safe. If a safety engineer then discovers signif-icant safety problems late in the design process, correcting them can be very expensive. This type of error has the potential to waste large sums of money.

The exception to this conventional approach is the way some large government agen-cies approach safety engineering from a more proactive and proven process perspective, known as "system safety". The system safety philosophy is to be applied to complex and crit-ical systems, such as commercial airliners, complex weapon systems, spacecraft, rail and transportation systems, air traffic control system and other complex and safety-critical indus-trial systems. The proven system safety methods and techniques are to prevent, eliminate and control hazards and risks through designed influences by a collaboration of key engi-neering disciplines and product teams. Software safety is fast growing fields since modern systems functionality are increasingly being put under control of software. The whole concept of system safety and software safety, as a subset of systems engineering, is to influence safety-critical systems designs by conducting several types of hazard analyses to identify risks and to specify design safety features and procedures to strategically mitigate risk to ac-ceptable levels before the system is certified.

Additionally, failure mitigation can go beyond design recommendations, particularly in the area of maintenance. There is an entire realm of safety and reliability engineering known as Reliability Centered Maintenance (RCM), which is a discipline that is a direct result of ana-lyzing potential failures within a system and determining maintenance actions that can miti-gate the risk of failure. This methodology is used extensively on aircraft and involves under-standing the failure modes of the serviceable replaceable assemblies in addition to the means to detect or predict an impending failure. Every automobile owner is familiar with this concept when they take in their car to have the oil changed or brakes checked. Even filling up one's car with fuel is a simple example of a failure mode (failure due to fuel exhaustion), a means of detection (fuel gauge), and a maintenance action (filling the car's fuel tank).

For large scale complex systems, hundreds if not thousands of maintenance actions can result from the failure analysis. These maintenance actions are based on conditions (e.g., gauge reading or leaky valve), hard conditions (e.g., a component is known to fail after 100 hrs of operation with 95% certainty), or require inspection to determine the maintenance ac-tion (e.g., metal fatigue). The RCM concept then analyzes each individual maintenance item for its risk contribution to safety, mission, operational readiness, or cost to repair if a failure does occur. Then the sum total of all the maintenance actions are bundled into maintenance intervals so that maintenance is not occurring around the clock, but rather, at regular inter-vals. This bundling process introduces further complexity, as it might stretch some mainte-nance cycles, thereby increasing risk, but reduce others, thereby potentially reducing risk, with the end result being a comprehensive maintenance schedule, purpose built to reduce operational risk and ensure acceptable levels of operational readiness and availability.