Znanstvena djelatnost

U prirodnim i tehničkim znanostima, pa i u tehničkoj mehanici, postoje dva osnovna načina znanstvenoga istraživanja: eksperimentalni i teorijski. Numeričke se metode uz analitičke i eksperimentalne razvijaju i upotrebljavaju od samoga osnivanja Zavoda za ispitivanje gradiva. Tijekom cijeloga svog djelovanja na svim je tim područjima Zavod bio na razini svjetskih trendova. Mnogi su podaci o tome, kao i općenito o povijesti Zavoda, na žalost izgubljeni i zaboravljeni, jer nisu bili sustavno zapisivani. Mnogi rezultati istraživanja nisu objavljeni, ali se danas, iz vremenske perspektive može ocijeniti da su u pojedinim slučajevima nadmašivali slične rezultate u drugim zemljama i prethodili im. Većina je tih istraživanja (osobito numeričkih) služila za neposrednu primjenu u projektiranju konkretnih konstrukcija, pa se objavljivanje rezultata nije postavljalo kao cilj. Stoga pojedina istraživanja vođena u Zavodu nisu zasnovana na strogom znanstvenom pristupu, nego na iskustvu, intuiciji i pojednostavljenoj interpretaciji djelovanja konstrukcija. Takva su istraživanja i radovi znatno doprinijeli unapređenju projektantske prakse u Hrvatskoj, jer su rezultati gotovo svih istraživanja primjenjivi u praksi. Stoga su neki radovi poglavito bili motivirani namjerom da se riješi neki problem mehanike, dok su drugi služili za neposrednu primjenu pri projektiranju i proračunu konstrukcija.

Razvoj se teorijskih metoda u svijetu, pa tako i u Zavodu, da podijeliti na dva razdoblja: razdoblje „ručnih“ proračuna i računalno razdoblje, budući je razvoj numeričkih metoda uvođenjem računala krenuo posve novim pravcem. Tako je u Zavodu razvijen jedan od prvih algoritama u svijetu, zasnovan na metodi pomaka i postupku relaksacije za okvirne konstrukcije u ravnini (K. Čališev, 1922). Rad je načelno jednak popularnom, neovisno razvijenom Crossovom postupku. Timošenko je jednom prilikom napisao: „Tijekom idućega semestra Hardy Cross je prikazao svoju metodu proračuna okvirnih konstrukcija. Nikada nisam čuo o Hardyju Crossu, ali sam odmah uočio da je njegova metoda vrlo blizu Čališevljeve metode, koju sam dobro poznavao, i prikaz koje je bio objavljen u Zagrebu prije gotovo deset godina. Očito se tu nije radilo o plagijatu, jedino o dilemi tko je bio prvi.“ Uz Čališeva, još su neki članovi Zavoda doprinijeli razvoju iteracijskih postupaka rješavanja sustava jednadžbi inženjerske metode pomaka u linearnoj, ali i u nelinearnoj štapnoj statici. Otto Werner autor je relaksacijskoga postupka proračuna horizontalno pomičnih ravninskih okvira koji se provodi u kombinaciji s Crossovim postupkom. Postupak se primjenjivao u APZ-u Plan u Zagrebu od 1951., ali je u svjetskoj literaturi poznat kao Csonkina metoda, jer Werner nije žurio s objavljivanjem. Stoga se u Hrvatskoj postupak naziva Werner-Csonkina metoda. Kasnije je u Zavodu postupak na više načina proširen i poopćen: po teoriji 2. reda, za okvire s kosim stupovima u najnižoj etaži, s neovisnim pomacima u etaži, s lučnim prečkama, sa zglobovima u polju, za prostorne okvire. Govoreći o relaksacijskim metodama, treba spomenuti da je Gašpar Kani, asistent, a potom i docent Zavoda, autor u svijetu poznate Kanijeve metode, postupaka jednostruke iteracije kutova zaokreta i pomaka.

Nakon pojave dostupnih elektroničkih računala u Zavodu su se počeli razvijati programi za automatski proračun okvirnih konstrukcija, zasnovani na algoritmima relaksacije. U isto su se vrijeme počeli pojavljivati i univerzalni programi iz svijeta. Neki od cjelovitijih programa za proračun konstrukcija su program SAM, razvijen za praktični proračun zidanih i armiranobetonskih zgrada, program PL za proračun armiranobetonskih ploča te programi MP i DIM za proračun ravninskih okvirnih konstrukcija. U Zavodu je razvijen algoritam i računalni program za optimalno dimenzioniranje poligonalnih armiranobetonskih presjeka za općenito zadane radne dijagrame betona i čelika. Poslije je program proširen i dotjeran te je doživio vrlo široku primjenu u Hrvatskoj.
Značajan znanstveni doprinos svakako je i razvoj poopćene metode konjugiranih gradijenata koju je krajem sedamdesetih godina počeo razvijati Josip Dvornik. Postupak je namijenjen rješavanju velikih sustava linearnih i nelinearnih jednadžbi metode konačnih elemenata na računalu. Godine 1994. Dvornik je u suradnji s Lazarevićem napravio poboljšanu inačicu postupka. Međutim, tek 2014. na temelju mnogih stečenih iskustava i novih zamisli autori se ponovno vraćaju razvoju postupka u okviru istraživačkog projekta Novi, učinkoviti iteracijski postupak proračuna konstrukcija – poopćenje suvremenih postupaka koji je financirala od Hrvatska zaklada za znanost (2015.-2019.). Tijekom projekta razvijen je poboljšani postupak skraćena naziva IRM (od engl. Iterated Ritz Method); sustavi jednadžbi na kojima je provedeno testiranje postupka daju vrlo dobre rezultate te se opravdano očekuje njezin daljnji razvoj i široka primjena.

Testiranje IRM metode na sustavima koji imaju veliki broj jednadžbi

Eksperimentalna istraživanja usko su vezana uz djelatnost Laboratorija za ispitivanje konstrukcija. U Zavodu je sustavno praćen razvitak novih postupaka i metoda ispitivanja fizikalno mehaničkih svojstava materijala i konstrukcija. U početku su se za mjerenje pomaka, deformacija i sila upotrebljavali mehanički instrumenti. Veliki iskorak u tom smislu uvođenje je primjene elektrootpornih tenzometara (EOT) za mjerenje deformacija 1949. godine (uz izradu vlastitih  od 1953.). Od tada se pa sve do danas EOT upotrebljavaju za istraživanja ponašanja novih materijala, provedbu mnogih istraživanja u okvirima doktorskih i magistrskih radova, ali i pri ispitivanjima složenih konstrukcija i njihovih elemenata. EOT su kasnije postali osnova za izradu senzora (doza) za mjerenje veličine sile. Od 1953. godine se za mjerenje deformacija primjenjuje metoda krhkih lakova, a od 1954. provode se modelska ispitivanja i uvode metode mehaničke analogije te dinamička ispitivanja konstrukcija. Od 1964. se za modelska ispitivanja primjenjuje metoda fotoelastičnosti, a 1965. se nabavljaju instrumenti za nerazorna ispitivanja (ultrazvukom i sklerometrom).

Prerezani modeli stropnih i temeljnih ploča djelomično armirane recikliranim čeličnim vlaknima nakon ispitivanja na proboj

Revolucionarni iskorak u mjerenjima pri ispitivanjima uvođenje je induktivnih senzora za mjerenje pomaka i deformacija (LVDT - Linear Variable Differential Transformer). Prvo induktivno osjetilo primijenjeno je 1979. godine pri ispitivanju konstrukcije bazena u Splitu izgrađenog za Mediteranske igre. LVDT je elektromehanički pretvarač koji pravocrtne pomake pretvara u odgovarajući električni signal, što omogućava (isto kao i EOT) spajanje senzora na PC i prikupljanje i obradu velikoga broja podataka. Na takvom ili sličnom principu rade i drugi senzori koji se danas uglavnom upotrebljavaju pri ispitivanjima materijala, konstrukcija i monitoringa ponašanja konstrukcija. Od 2001. godine instalirano je na desetke monitoringa ponašanja značajnih građevina, posebno povijesnih.Monitoring građevinskih konstrukcija provodi se na nizu povijesnih građevina od kojih su svakako najpoznatije Knežev dvor (ujedno i prva građevina na koju je postavljen monitorning 2001.), tvrđava Revelin i Orlandov stup u Dubrovniku, Peristil Dioklecijalnove palače u Spitu, katedrala Sv. Jakova u Šibeniku i dr.

Monitoring na Peristilu Dioklecijanove palače

Eksperimentalno istraživanje i monitoring stanja građevine Kneževog dvora upotrebljen je u izradi preciznoga numeričkog modela kako bi se detaljno mogla analizirati nosivost i stabilnost građevine i njezinih elemenata. Građevina je bila i motivacija za eksperimentalno i numeričko istraživanje nosivosti tradicijskih kamenih stupova. Istraživanja su uvelike pomogla analizi stanja konstrukcije povijesnih građevina kao i postupcima sanacije kritičnih elemenata. Slično je ponovljeno i za analizu stanja Zagrebačke katedrale nakon potresa.

Eksperimentalna modalna analiza

Numerički model Zagrebačke katedrale

Osim ovdje posebno istaknutih, u Zavodu je rađen čitav niz drugih teorijskih i eksperimetalnih istraživanja. Neka od vođenih istraživanja rezultirala su knjigama, magistarskim radovima i doktorskim disertacijama. U području dinamike konstrukcija rađena su istraživanja vezana za proračun konstrukcija silosa pri pražnjenju sipkim materijalom, zatim dinamičku stabilnost okvirnih konstrukcija te rezonancijska područja nelinearnoga odziva kabela. U području potresnog inženjerstva razvijaju se složeni nelinearni modeli seizmičke oštetljivosti kao i utjecaj nejednolike potresne pobude na odziv velikih konstrukcija kao što su mostovi. Vrši se teorijsko i eksperimentalno istraživanje stabilnosti plitkih rešetkastih kupola kao i postupci određivanja oblika prednapetih gipkih konstrukcija od platna i užadi. U području eksperimentalnih istraživanja provedena su znanstvena istraživanja na problemima određivanja deformacija i naprezanja čvrstoga deformabilnog tijela putem tenzometrije i krhkih lakova te numerički. Prvi put u Hrvatskoj, provedene su detekcije oštećenja na konstrukcijama na temelju izmjerenih vlastitih frekvencija. Rađena su i istraživanja u području mehanike loma i ponašanja tankostjenih nosača otvorenoga poprečnog presjeka u uvjetima složenih naprezanja, a vršena su i  ispitivanja elemenata od recikliranih materijala i ocjena njihove uporabe.

Ispitivanje probnim opterećenjem čelične hale

Istraživanje određivanja oblika prednapetih konstrukcija od platna