Výzkumné směry

Mechanika materiálů

Základní výzkum v oblasti mechaniky kontinua je soustředěn na rozvoj lomové mechaniky, zejména v souvislostech s vývojem počítačové mechaniky, dále na vývoj speciálních programových nástrojů a teorii konečných deformací pro aplikace v oblasti porušování materiálů.
Zahrnuje i tvorbu hypotéz pro popis chování inteligentních materiálů, zvláště materiálů s pamětí a problematiku spojenou s rheonomním chováním polymerních kompozitů. Pozornost výzkumu vysoce užitkových multi-funkčních materiálů je zaměřena na experimentální metocdy stanovení jejich mechanických charakteristik, konstitutivní vztahy, vlivy stárnutí, vzájemnou závislost strukturních a mechanických fyzikálních veličin a na předpovědi jejich rheonomního chování.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na skupiny úloh:

• Lomová mechanika, počítačová mechanika, vývoj software, teorie konečných deformací.
• Mezomechanika, termomechanické chování materiálů s tvarovou pamětí.
• Mechanika polymerních kompozitů.

Dynamika a stochastická mechanika soustav v interakci s prostředím

Základní výzkum v oboru stochastické mechaniky je zaměřen na oblast dynamiky soustav tuhých a deformovatelných těles, stability pohybu, aeroelasticty, přírodní a technologické seismicity, spolehlivosti a životnosti konstrukcí, dynamiky mostů a dopravních konstrukcí s vysokorychlostním zatížením.
Součástí těchto úkolů je trvalý rozvoj v oblasti analýzy náhodných signálů, metody konečných prvků se stochastickými vlastnostmi, metod řešení stochastických diferenciálních soustav a numerických metod.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na skupiny úloh:

• Dynamika soustav.
• Spolehlivost konstrukcí.
• Dynamické účinky větru, seismicity a dopravy.

Mechanika deskových a skořepinových konstrukcí při opakovaném namáhání

Výzkum porušování deskových a skořepinových konstrukcí pod vlivem složitého provozního namáhání a účinků agresivního korozního prostředí studuje a modeluje vznik a rozvoj trhlin v oblasti svarových spojů tenkostěnných válcových skořepin a tenkostěnných deskových prvků, typických pro mostní konstrukce, s cílem zajistit jejich integritu v extrémních podmínkách exploatace, poskytnout metody zvyšování bariér proti degradaci těles a podporovat rozvoj diagnostiky poškození.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na skupiny úloh:

• Spolehlivost a životnost potrubních systémů.
• Životnost a mezní stavy tenkostěnných deskových systémů.

Analýza a modelování zrnitých a stmelených materiálů a prostředí

Významnou složkou výzkumu zrnitých a stmelených materiálů je mechanika zemin, kde je kladen důraz na studium strukturních jevů a na formulaci v rámci hypoplastické koncepce. Porozumění fenomenologickému chování zemin na strukturní bázi umožňuje dalekosáhlé generalizace (mechanika partikulárních látek). Hypoplasticita představuje relativně nový model, který na rozdíl od běžně používaných pružnoplastických vztahů nerozlišuje mezi pružným a plastickým přetvořením. Při numerickém řešení okrajových úloh geotechniky (jako např. únosnost základů nebo deformace okolí stavební jámy) hraje volba materiálového modelu centrální roli.
Rozvoj a testování materiálových vztahů patří proto k dalším klíčovým výzkumným tématům v této oblasti, kde jsou dále vyvíjeny obecnější teorie popisu bočního tlaku vícefázových zrnitých materiálů a v oblasti návrhových teorií, jmenovitě teorie mezních stavů. V oblasti návrhových teorií je pozornost zaměřena na teorii mezních stavů v souvislosti se zaváděním evropských norem pro geotechniku do ČR, jmenovitě EUROCODE "7-1 Geotechnical design".
Výraznou skupinou úloh je výzkum chování historických materiálů a komplexního posouzení kompatibility nových a historických materiálů, především malt s vápennou matricí (prostých i vyztužených organickými vlákny), směřovaný do aplikací v památkové péči.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na skupiny úloh:

• Konstitutivní vztahy a numerické modely v mechanice zemin.
• Zrnité kompozity s vápennou matricí.

Biomechanika svalově kosterní soustavy člověka

Pro řešení problémů biomechaniky člověka se vytváří matematické modely na základě dat získaných z počítačové tomografie, magnetické rezonance a ultrazvuku. Aplikace algoritmů počítačové grafiky pro segmentaci jednotlivých tkání, nalezení povrchu daného orgánu a optimalizaci tvaru sítě pro použití v metodě konečných prvků. Výsledné modely jsou používány pro analýzu vlivu a napjatosti umělých náhrad lidského skeletu (totální endoprotéza kyčelního kloubu, náhrady kloubů ruky a další) a na analýzu napjatosti v okolních tkáních.
Další oblastí výzkumu je rozvoj experimentálních metod a jejich využití pro zjišťování mechanických vlastností lidských tkání, zejména dlouhých kostí a šlach. Vývoj algoritmů pro stanovení pole deformace na povrchu vzorku, který je zaznamenáván rychloběžnou CCD kamerou s vysokou citlivostí. Aplikace výsledků experimentálního výzkumu lidských tkání do výpočtových modelů.

Experimentální metody v mechanice materiálů a konstrukcí

Výstavba teoretických modelů mechaniky pevných těles je podmíněna znalostí mechanických vlastností zkoumaných materiálů, těles a konstrukcí. Potřebná data se získávají metodami experimentální mechaniky.
Vedle základních měření, založených na použití tradičních prvků jako jsou extenzometry a tenzometry, se široce používají různé metody pracující s 2D maticemi dat, získané na základě různých fyzikálních principů (například optické pixelové detektory, X-ray pixelové detektory, termografie, skenovací elektronový mikroskop). Tyto metody v posledních letech zaznamenaly bouřlivý rozvoj díky zavádění digitálních forem záznamu a počítačové podpory zpracování výsledků.
Dalším polem výzkumu je vyhodnocování vlastností stavebních konstrukcí, významnou oblast zde tvoří výzkum metod nedestruktivního nebo polodestruktivního vyšetřování vlastností a chování historických materiálů a objektů. S ohledem na dlouhodobé sledování mechanického chování konstrukcí je vyvíjena technika dálkového čtení experimentálních dat pomocí GSM sítí. Pro hodnocení poškození rozměrných prvků stavebních konstrukcí byla vyvinuta metoda, založená na sledování změn dynamických charakteristik zkoumaného prvku. Myšlenka použití změn dynamických charakteristik ke stanovení velikosti a místa poškození nebo jiných imperfekcí podporuje vývoj velmi přesných snímačů odezvy a počítačů. Teoretické nástroje při řešení tohoto problému byly zpracovány pro diskrétní i kontinuální systém. Problém vyžaduje i experimentální řešení zaměřené na identifikaci nosného systému a identifikaci imperfekcí a jejich lokalizaci v nosném systému.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na skupiny úloh:

• Digitální optické metody.
• Počítačově podporované metody zpracování experimentálních dat.
• Nedestruktivní metody diagnostiky stavebních konstrukcí.
• Modální analýza.

Diagnostika a dlouhodobá udržitelnost historických konstrukcí, materiálů a sídel

Pro aplikace při záchraně architektonického dědictví je rozvíjen širší interdisciplinární výzkum historických materiálů, konstrukcí a sídel.
K tomu jsou rozvíjeny i příslušné metody diagnostiky, monitorování a analýzy poruch, zejména dřevěných a zděných konstrukcí, i metody jejich vyšetřování, dokumentace, konsolidace a konzervace.
V oblasti budování vědecké základny památkové péče se ústav podílí na formulaci strategií vědeckého výzkumu v dané oblasti i na podpoře aplikací tvorbou metodologie řízení a záchrany památkových objektů a sídel. Metodologicky je rozvíjena i forenzní analýza, která je využívána při doplňkové činnosti ústavu jako znaleckého ústavu nejvyšší kategorie, zapsaného do seznamu vedenému Ministerstvem spravedlnosti ČR a zpracovávajícího znalecké posudky především pro soudy a státní orgány v mimořádně obtížných případech vyžadujících zvláštního vědeckého posouzení.

Vědecké projekty a týmy se soustřeďují na interdisciplinární skupiny úloh:

• Dlouhodobá udržitelnost historických konstrukcí, materiálů a sídel.
• Historické dřevěné konstrukce včetně analýzy historických technologií.
• Forenzní analýza (především stavební soudní inženýrství).