*OPWBDF NPCJMOÓDI QPWPEǪPWâDI [ÈCSBO
%JQMPNPWÈ QSÈDF
4UVEJKOÓ QSPHSBN / o 4USPKOÓ JOäFOâSTUWÓ 4UVEJKOÓ PCPS 5 o *OPWBǏOÓ JOäFOâSTUWÓ
"VUPS QSÈDF #D 3BEFL -B[ÈL
7FEPVDÓ QSÈDF QSPG *OH -BEJTMBW ÀFWǏÓL $4D
-JCFSFD
.BTUFS UIFTJT
4UVEZ QSPHSBNNF / o .FDIBOJDBM &OHJOFFSJOH 4UVEZ CSBODI 5 o *OOPWBUJPO &OHJOFFSJOH
"VUIPS #D 3BEFL -B[ÈL
4VQFSWJTPS QSPG *OH -BEJTMBW ÀFWǏÓL $4D
-JCFSFD
1SPIMÈÝFOÓ
#ZM KTFN TF[OÈNFO T UÓN äF OB NPV EJQMPNPWPV QSÈDJ TF QMOǔ W[UB
IVKF [ÈLPO Ǐ 4C P QSÈWV BVUPSTLÏN [FKNÏOB f o ÝLPMOÓ EÓMP
#FSV OB WǔEPNÓ äF 5FDIOJDLÈ VOJWFS[JUB W -JCFSDJ 56- OF[BTBIVKF EP NâDI BVUPSTLâDI QSÈW VäJUÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF QSP WOJUDzOÓ QPUDzFCV 56-
6äJKJMJ EJQMPNPWPV QSÈDJ OFCP QPTLZUOVMJ MJDFODJ L KFKÓNV WZVäJUÓ KTFN TJ WǔEPN QPWJOOPTUJ JOGPSNPWBU P UÏUP TLVUFǏOPTUJ 56- W UPN
UP QDzÓQBEǔ NÈ 56- QSÈWP PEF NOF QPäBEPWBU ÞISBEV OÈLMBEǾ LUFSÏ WZOBMPäJMB OB WZUWPDzFOÓ EÓMB Bä EP KFKJDI TLVUFǏOÏ WâÝF
%JQMPNPWPV QSÈDJ KTFN WZQSBDPWBM TBNPTUBUOǔ T QPVäJUÓN VWFEFOÏ MJUFSBUVSZ B OB [ÈLMBEǔ LPO[VMUBDÓ T WFEPVDÓN NÏ EJQMPNPWÏ QSÈDF B LPO[VMUBOUFN
4PVǏBTOǔ ǏFTUOǔ QSPIMBÝVKJ äF UJÝUǔOÈ WFS[F QSÈDF TF TIPEVKF T FMFL
USPOJDLPV WFS[Ó WMPäFOPV EP *4 45"(
%BUVN
1PEQJT
Poděkování
Zaprvé bych chtěl poděkovat prof. Ing. Ladislavu Ševčíkovi, CSc. Jako vedoucímu diplomové práce, který mi podával věcné rady při řešení problému týkajícího se mého zadání.
Dále bych rád poděkoval mé rodině, která mě podporovala v průběhu celého studia.
Diplomová práce vznikla za podpory projektu Studentské grantové soutěže pro rok 2017 na Fakultě strojní TU v Liberci s názvem: „Inovace výrobku a procesů v technické praxi“, podporované Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky.
Anotace
Diplomová práce je zaměřena na inovaci mobilní protipovodňové bariéry. Na návrh nového typu řešení vykládání bariéry, které směřuje k vysoké rychlosti výstavby bariéry. Práce obsahuje základní kroky postupu inovace výrobku. Z navržených konceptů je pomocí metody Analytic hierarchy process vybrána vítězná varianta, která byla podrobněji rozpracována do vize nového řešení. V posledním kroku je zhodnocena inovace bariéry vůči již existujícím řešením.
Klíčová slova: mobilní bariéra, bariéra, inovace, Analytic Hierarchy proces
Annotation
The master thesis is focused on innovation of mobile flood barrier. It is focused mainly on design of new type of solution for unloading of barrier. Which aim to high speed unload of barrier. Thesis contains basic steps of innovation of a new product. The winning variant is chosen using Analythic Hierarchy process from designed concepts.
Winning variant is designed in more detail like a vision of a new solution. Last step contains evaluations of inovation with other existing solutions.
Key words: mobile barrier, barrier, inovation, Analytic Hierarchy proces
7
Obsah Obsah Obsah Obsah
1 Úvod ... 11
1.1 Cíl ... 11
1.2 Seznámení s problémem ... 13
1.3 Stávající řešení ... 13
1.3.1 Plněné bariéry ... 13
1.3.2 Neplněné bariéry ... 16
2 Vlastní řešení ... 19
2.1 Harmonogram ... 19
2.2 Inovační příležitosti ... 21
2.3 Inovační prohlášení ... 21
2.4 Dům kvality (HoQ) ... 22
3 Návrh konceptů ... 23
3.1 Koncept 1 ... 23
3.2 Koncept 2 ... 24
3.3 Koncept 3 ... 25
3.4 Koncept 4 ... 26
3.5 Koncept 5 ... 27
3.6 Výběr nejlepší varianty ... 29
3.6.1 Volba kritérií ... 29
3.6.2 Hodnocení konceptů ... 30
3.6.3 Výpočet vítězného konceptu ... 32
4 Rozpracování vítězné varianty ... 34
4.1 Segment bariéry ... 34
4.1.1 Výpočet zatěžující síly a polohy nohy ... 34
4.1.2 Výpočet čepů podpěrných nohou. ... 39
4.1.3 Konstrukce segmentu bariéry ... 43
8
4.2 Kompletní bariéra ... 46
4.3 Vykládání bariéry ... 50
4.3.1 První část vleku ... 50
4.3.2 Druhá část vleku ... 51
4.3.3 Třetí část vleku ... 57
4.4 Vykládání bariéry ... 57
5 Zhodnocení inovace ... 60
6 Závěr ... 62
9 Seznam použitých zkratek a symbolů
Značka Jednotka Popis
λkmax [-] Maximální vlastní číslo matice kritérií
λ1max [-] Maximální vlastní číslo matice kritéria času výstavby λ2max [-] Maximální vlastní číslo matice kritéria přizpůsobení terénu λ3max [-] Maximální vlastní číslo matice kritéria počtu obsluhy λ4max [-] Maximální vlastní číslo matice kritéria opětovného použití λ5max [-] Maximální vlastní číslo matice kritéria skladnosti
CI [-] Koeficient konzistence
k [-] Rozměr matice
CIk [-] Koeficient matice kritérií
CI1 [-] Koeficient matice kritérií času výstavby CI2 [-] Koeficient matice kritérií přizpůsobení terénu CI3 [-] Koeficient matice kritérií počtu obsluhy CI4 [-] Koeficient matice kritérií opětovného použití CI5 [-] Koeficient matice kritérií skladnosti
v [mm] Výška desky segmentu bariéry b [mm] Délka desky segmentu bariéry b1 [mm] Délka spojujícího členu bariéry α [°] Úhel sklonu bariéry
ρH2O [kg/m3] Hustota povodňové vody Hmax [mm] Maximální výška hladiny
z [mm] Vzdálenost výsledné síly na segment bariéry od spodního kraje Fx [N] Vodorovná síla působící na segment bariéry pro úhel 40°
Fy [N] Svislá síla působící na segment bariéry pro úhel 40°
u [mm] Vodorovný průmět délky desky segmentu bariéry
Fv [N] Výslednice zatěžující síly na segment bariéry pro úhel 40°
Fx1 [N] Vodorovná síla působící na segment bariéry pro úhel 45°
Fy1 [N] Svislá síla působící na segment bariéry pro úhel 45°
Fv1 [N] Výslednice zatěžující síly na segment bariéry pro úhel 45°
Fx2 [N] Vodorovná síla působící na segment bariéry pro úhel 50°
Fy2 [N] Svislá síla působící na segment bariéry pro úhel 50°
Fv2 [N] Výslednice zatěžující síly na segment bariéry pro úhel 50°
10
Fx3 [N] Vodorovná síla působící na segment bariéry pro úhel 60°
Fy3 [N] Svislá síla působící na segment bariéry pro úhel 60°
Fv3 [N] Výslednice zatěžující síly na segment bariéry pro úhel 60°
X [mm] Vzdálenost podpěrné nohy od spodního kraje bariéry
RAx1 [N] Vodorovná reakce v bodě A v souřadnicovém systému x1, y1
RAy1 [N] Svislá reakce v bodě A v souřadnicovém systému x1, y1
RB [N] Svislá reakce v bodě B v souřadnicovém systému x1, y1
Fxx1 [N] Vodorovná složka síly Fx v souřadnicovém systému x1, y1
Fxy1 [N] Svislá složka síly Fx v souřadnicovém systému x1, y1
Fyx1 [N] Vodorovná složka síly Fy v souřadnicovém systému x1, y1
Fyy1 [N] Svislá složka síly Fy v souřadnicovém systému x1, y1
pD [MPa] Dovolený tlak materiálu čepu i uložení čepu
τDS [MPa] Dovolené smykové napětí materiálu čepu i uložení čepu T [mm] Tloušťka stěny kloubu nohou
T1 [mm] Tloušťka stěny profilu uložení kloubu 1
d1 [mm] Průměr čepu 1
F1 [N] Síla přenášená čepem 1 n [-] Počet smykových průřezů
P1 [MPa] Tlak v čepu i v profilu uložení čepu 1 k1 [-] Koeficient bezpečnosti čepu 1
RAy1x [N] Vodorovná složka RAy1 v souřadnicovém systému x, y
RCx [N] Vodorovná složka reakce v bodě C souřadnicového systému x, y RCy [N] Svislá složka reakce v bodě C souřadnicového systému x, y RC [N] Výsledná reakce v bodě C
F2 [N] Síla přenášená čepem 2
d2 [mm] Průměr čepu 2
p2 [MPa] Tlak v čepu i v profilu uložení čepu 2 k2 [-] Koeficient bezpečnosti čepu 2
F3 [N] Síla přenášená čepem 3
d3 [mm] Průměr čepu 3
T3 [mm] Tloušťka stěny uložení kloubu nohou 3 p3 [MPa] Tlak v čepu i v profilu uložení čepu 3 k3 [-] Koeficient bezpečnosti čepu 3
11
1 11
1 Úvod Úvod Úvod Úvod
V dnešní době stále přibývá incidentů, kdy přílivová voda povodně zasáhne obydlené oblasti a oblasti obhospodařované člověkem. Proto zde vyvstává problém ochrany těchto oblastí. Nejenže přílivová vlna ničí majetek, ale předměty zasažené povodňovou vodou jsou kontaminovány různými bakteriemi, kvůli kterým se tyto předměty, popřípadě jídlo musí zlikvidovat. Pro řešení těchto problémů vznikají ochranná opatření, která vytvářejí umělou hranici a směrují tok, nebo se jednotlivé oblasti v celém obvodu obklopí hranicí, která zamezí zásahu povodňové vody.
Dosavadní řešení chrání nejcennější oblasti historických i moderních částí měst.
Pokud to prostor umožní, zvyšují se břehy. Zvýšené břehy zajišťují nejbezpečnější ochranu proti přívalové vodě. Další řešení vytváří umělý břeh pomocí polo-mobilních bariér. Tyto bariéry mají na určeném místě zabetonované základy, do kterých se v případě záplav namontují desky, které zadrží vodu.
Tato řešení jsou velice nákladná a dokáží ochránit pouze jednu oblast. Z této nevýhody vyplynul nový typ bariér. Tyto bariéry jsou mobilní. Nemají pevné místo určení, převážně se liší rychlostí mobilizace a množstvím lidských zdrojů potřebných k mobilizaci. Tyto bariéry jsou nyní potřebné ve vyšší míře, jelikož díky jejich rychlému nasazení může být zachráněno více oblastí, které nejsou běžně chráněny. Proto se tato diplomová práce zaměřuje na inovaci mobilních protipovodňových bariér. Zejména se zaměřuje na jejich snadnou a rychlou mobilizaci a nasazení v ohroženém místě.
1.1 1.1 1.1 1.1 Cíl Cíl Cíl Cíl
Cílem diplomové práce je sestrojit novou vizi mobilní povodňové bariéry, která se zaměřuje na vysokou rychlost mobilizace. Konstrukční řešení navrhuje bariéru jako ochranu proti jednomu výškovému metru vody. Mezi další parametry patří délka bariéry. Délka udává velikost jednotlivé části bariéry, které můžou na sebe navazovat.
Tato hodnota odpovídá sta metrům. Čas výstavby jednotlivé části bariéry by neměl přesáhnout dvacet minut. To odpovídá třetině výstavbového času většiny existujících řešení mobilních bariér. Tato úspora času by měla zajistit větší šance pro záchranu majetku. Návrh bariéry je zaměřen na výstavbu na nezpevněných površích, jako jsou:
písek, hlína, štěrk. Dalším důležitým parametrem je životnost bariéry, která musí dosahovat maximálně deseti nasazení jednotlivé bariéry. Další nezanedbatelnou věcí je počet operátorů, který je potřeba při výstavbě bariéry. Maximální počet obsluhy nesmí
12
přesáhnout 3 operátory. Průsak bariéry by také měl být co nejnižší. Parametry jsou shrnuty v tabulce 1. Po definování základních parametrů budou následovat tyto kroky.
Tabulka 1.: Základní parametry bariéry
Parametr Hodnota
Výška hladiny 1 m
Délka bariéry 100 m
Čas výstavby 20 minut
Počet operátorů Max. 3 operátoři
Životnost (počet možných nasazení) Maximálně deset nasazení
Typ povrchu Nezpevněný povrch
První krok je zaměřen na definování základních parametrů, které jsou shrnuty v tabulce 1. Návrh konstrukce musí odpovídat těmto základním parametrům. Průzkum trhu je dalším navazujícím krokem, který obsahuje popis již existujících řešení.
Průzkum bude proveden se zaměřením na ty varianty, které se svým řešením přibližují zadaným hodnotám.
Druhý krok odpovídá naplánování projektu. Nejprve budou naplánovány jednotlivé kroky řešení, ke kterým budou přiřazeny časové úseky. Z těchto dat vznikne podrobný harmonogram s milníky řešení. Nalezením konkrétního řešení se zabývá další část řešení. K tomu budou využity inovační příležitosti. Základní směr řešení bude shrnut v inovačním prohlášení a dům kvality (HoQ) poslouží k dalšímu upřesnění řešení.
Dále bude navrženo 5 konceptů, které všechny určují vlastní směr řešení. Na základě předpokládaných vlastností se koncepty ohodnotí. Toto hodnocení poslouží k výběru nejlepší varianty s využitím matematické metody Analytic Hierarchy Process.
Vítězná varianta bude rozpracována do vize řešení se základními parametry, u které se následně provede výpočet základních parametrů. Dále proveďte popis řešení obsahující popis základních funkcí jednotlivých částí bariéry a její funkční principy.
Předposlední krok obsahuje shrnutí a porovnání inovovaného řešení k již stávajícím řešením. Porovnání bude provedeno s bariérami, které jsou konstruovány do stejných podmínek. Zejména výška hladiny jednoho metru a možné délky sta metrů. Mezi
13
porovnávané parametry patří rychlost výstavby, povrch a počet obsluhy potřebných pro montáž bariéry v postiženém místě.
Na závěr budou shrnuty všechny provedené kroky a proběhne hodnocení jejich naplnění.
1.2 1.2
1.2 1.2 Seznámení s Seznámení s Seznámení s Seznámení s problémem problémem problémem problémem
Jak již bylo zmíněno v úvodu, dosavadní řešení jsou spíše mobilní bariéry ve smyslu pevných základů, do kterých se v případě povodně vestaví bariéry. Toto řešení je účinné, ale lze jím ochránit pouze konkrétní oblasti, kde jsou postaveny základy. Tato řešení slouží jako umělé břehy, které usměrňují rozšířený tok. Řešení této práce se také zaměřuje na směřování rozšířeného toku, avšak pro toto směřování nechce využít stejných pevných základů.
1.3 1.3 1.3
1.3 Stávající řešení Stávající řešení Stávající řešení Stávající řešení
V dnešní době existuje několik základních typů mobilních bariér. V této kapitole budou popsány a rozděleny do skupin.
1.3.1 1.3.1 1.3.1
1.3.1 Plněné bariéry Plněné bariéry Plněné bariéry Plněné bariéry
Tento typ bariér využívá různých typů materiálu pro plnění. Tímto materiálem může být voda, popřípadě písek.
Bariéry pískové
Tyto bariéry jsou nejjednodušším typem bariér. Vznikají vrstvením pytlů s pískem.
Výška zadržené povodňové vody závisí na počtu vrstev této bariéry. Výška bariéry může dosahovat výšky 1 metru. Výsledná bariéra má velkou hmotnost a velice obtížně se s ní manipuluje. Nevýhodou bariéry je čas potřebný k plnění pytlů. Také jejich transport je fyzicky velice náročný. Využívají se na nouzové hrazení úzkých prostor, které zamezují přístup vody do prostor otevřených.
Výhody této bariéry spočívají v možnosti výstavby kdekoliv, kde jsou dostupné pytle a písek. Nevýhodou této bariéry je velká hmotnost, doba plnění, obtížná manipulace a nutnost ekologické likvidace použitého písku.
14 Obrázek 1.: Bariéra z pytlů s pískem, zdroj: [1]
Bariéry Svitap
Hrazení je vytvořeno nosnou ocelovou konstrukcí, která je opatřena speciálním nátěrem. Na konstrukci se upevní plášť z PES tkaniny nánosované PVC. V podélném směru je hrazení sestaveno z polí délek 3, 6, nebo 12 metrů, přičemž je možné vytvořit libovolně dlouhou řadu. Nejmenší délka bariéry je 12 metrů. Bariéry zastaví povodňovou vodu do výšky 1 metru. Po sestavení je možno naplnit vzniklou nádrž vodou nebo sypkým materiálem. Při použití sypkého materiálu roste čas sestavení 3m hráze na 7 hodin. Při použití vody je tento čas roven hodině na 100 metrů bariéry [2].
Obrázek 2.: Bariéra Svitap, zdroj: [2]
Výhody: libovolná délka bariéry, až 1 m povodňové vody Nevýhody: rychlost montáže, složitost montáže
Bariéry Velox
Bariéry fungují na principu zachytávání povodňové vody využitím její hmotnosti.
Tíhová síla přílivové kapaliny vytváří dostatečnou sílu pro udržení bariéry ve správném místě. Slouží spíše pro klidnou přílivovou vodu. Jelikož její plnění a tedy její přítlačné
15
vlastnosti musí pozvolna přibývat. Při příchodu přílivové vlny je nenaplněná bariéra stržena s proudem. Je náchylná na stržení bočním proudem [3].
Výhody: Rychlé ustavení na místo, téměř žádná potřebná lidská síla, skladné Nevýhody: nevydrží boční proud, náchylná na odsunutí v důsledku přílivové vlny
Obrázek 3.: Bariéra Velox, zdroj: [3]
Tiger dam
Tiger dam fungují na principu 15 metrových tubusů vyrobených z PVC, vyztužených skelnými vlákny. Tyto tubusy se napustí vodou, která vyvodí zatěžující sílu bariéry.
Bariéry se skládají do pyramid, aby umožnily zadržet větší povodňovou vodu. Tubus má průměr 48 cm a spolu s dalšími dvěma dokáže zadržet necelý výškový metr vody.
Jednotlivé tubusy se spojují popruhy. Tubus obsahuje 2 ventily. Jeden napouštěcí se zpětným ventilem a druhý vypouštěcí [4].
Výhody: Lehká konstrukce necelých 30 kilo na 15 metrů bariéry. Snadná montáž.
Nevýhody: Doba napouštění a potřebný zdroj plnící vody, nutnost čerpadla.
Obrázek 4.: Bariéry Tiger dam, zdroj: [4]
16
1.3.2
1.3.2 1.3.2
1.3.2 Neplněné bariéry Neplněné bariéry Neplněné bariéry Neplněné bariéry
Bariéry Aquafence
Aquafence jsou mobilní bariéry vyrobené z laminovaných panelů s vyztuženými okraji, strukturními podporami a flexibilními spojovacími členy, které zajišťují maximální výkonnost a flexibilitu konstrukce. Tato konstrukce je jednoduchá na přepravu díky složení do kontejnerů, které se převezou do postižené oblasti. Konstrukce je navržena tak, aby se dala použít alespoň 60 krát. U bariéry s patentovaným designem se postupně s přibývající vodou zvyšuje odolnost proti strhnutí. 100 metrů bariéry se dá postavit během hodiny s využitím 10 pracovníků. Jsou navrženy tak, aby odolaly výšce vody do 2,4 metru. Převážně se používají k ochraně uzavřených bloků, např. budov [5].
Výhody: Konstrukce umožnuje mnohonásobné využití, jako zátěž využívá přílivové vody, zadrží až 2,8 metru vody.
Nevýhody: Drahá konstrukce, potřeba vysokého počtu operátorů na stavbu. Doba stavby 100 metrů proškoleným personálem je rovna hodině. Vzpěry jsou na straně přílivové vody, z tohoto důvodu jsou náchylné na předměty, které by mohly pomocí proudu bariéru odnést.
Obrázek 5.: Bariéry Aquafence, zdroj [5]
17 Bariéry Inero
Mobilní bariéry Inero jsou švédské bariéry vyrobené z hliníku, který odolává i mořské vodě. Jednotlivé části bariéry drží ve vzpřímené poloze hliníkové nohy se spodní deskou. Jednotlivé sekce se spojují pomocí patentovaného rychloupínání, které funguje na principu bajonetu. Společně desky vytvoří flexibilní bariéru, která se dokáže přizpůsobit terénním nerovnostem. Dají se využít na všech běžných podkladech, jako tráva, štěrk nebo asfalt. Mohou být zakřiveny pomocí rohových sekcí, které mají úhel 22,5°. Bariéra odolá nejenom klidné, ale i proudící vodě. Může být vystavěna přímo v kontaktu s vodou za předpokladu, že její hladina nepřesáhne 30 cm. Celá bariéra se pokryje PVC folií, která utěsní pole jednotlivých desek. Folie je přichycena pytli s pískem a sponami. Sto metů bariéry se čtyřmi pracovníky je postavena v čase okolo hodiny [6].
Výhody: Lehká konstrukce umožnuje snadnou manipulaci, konstrukce je provedena tak, že 100 metrů bariéry je možné převést na dvou paletách.
Nevýhody: Doba složení 100 m bariéry odpovídá době kolem hodiny, jednotlivé desky se mohou deformovat a může nastat problém s rozebíráním bariéry.
Obrázek 6.: Bariéry Inero, zdroj: [6]
Paletové bariéry (Aqua Barrier)
Tyto povodňové hráze fungují na stejném principu jako hráze Inero, ale místo sofistikovaných desek se zámky, používají obyčejné palety, které přebírají úlohu nosného prvku. Stojany se mezi sebou prováží příčnou tyčí. Utěsnění je zde provedeno stejně pomocí nepropustné polypropylenové folie, která je přidržována pytli s pískem a svorkami [7].
18
Výhody: Využití snadno dostupných europalet, levná výrobní cena, která odpovídá necelým 5000 Kč za délkový metr bariéry.
Nevýhody: Jednotlivé europalety jsou výrazně těžké a pro ruční obsluhu je stavba této hráze náročná.
Obrázek 7.: Paletová bariéra, zdroj: [7]
Bariéra Variel
Bariéra funguje na principu sklolaminátových desek uložených na šikmých nohách.
Jsou určeny k usměrnění toku vody a odklonění přílivové vlny. Její hlavní předností je, že nepotřebuje spodní stavbu a je lehce přenosná. Záhyby bariéry jsou prováděny pomocí speciálních rohových dílů. Již postavené hráze, lze ještě rozšířit o další díl, který se přimontuje na vrch stávající bariéry. Jednotlivé desky jsou spojovány speciálním dílem, který se skládá z ocelového pozinkovaného plechu a gumotextilního pásu. Sto metrů bariér je uloženo v kontejneru, ve kterém jsou také uložené nástroje a veškeré příslušenství potřebné ke stavbě [8].
Výhody: Tato bariéra sice není vodě nepropustná, ale dokáže zachytit silnou přílivovou vlnu.
Nevýhody: Konstrukce je lehčí než u bariér Aqua, ale nese si s sebou stejnou nevýhodu. Pro její stavbu je také potřeba více pracovníků. Hůře se přizpůsobuje nerovnostem povrchu z důvodu délky jednotlivých částí bariéry.
19 Obrázek 8.: Bariéra Variel, zdroj: [8]
2 22
2 Vlastní řešení Vlastní řešení Vlastní řešení Vlastní řešení
V této kapitole bude nastíněn postup návrhu inovace. Od rozplánování inovace přes návrh 5 konceptů. Z těchto konceptů poté bude vybrán jeden vítězný, jehož konstrukce bude dále rozpracována a popsána.
2.1 2.1
2.1 2.1 Harmonogram Harmonogram Harmonogram Harmonogram
V této části byl projekt inovace naplánován. Jednotlivé hlavní úkoly, byly rozděleny do fází (obr. 9). Těmto úkolům byly přiřazeny časové rozsahy a jejich provázání. Toto provázání je zobrazeno v Ganttově diagramu (obr. 10). Ve všech navržených fázích jsou opakující se úkoly konzultací. Naplánované časy pro jednotlivé fáze by měly být při řešení diplomové práce dodrženy. Tímto vznikl plánovaný termín dokončení připadající na 15. května 2017.
20 Obrázek 9.: Rozplánování inovace, zdroj: vlastní
Obrázek 10.: Ganttův diagram, zdroj: vlastní
21
2.2 2.2 2.2
2.2 Inovační příležitosti Inovační příležitosti Inovační příležitosti Inovační příležitosti
Inovační příležitosti vycházejí z korelační matice, která porovnává závislost inovačních příležitostí a projekcí do budoucnosti. Druhá část se zaměřuje na kompetence podniku vztažené k projekci do budoucnosti. Tato část bude vynechána z důvodu vytvoření diplomové práce pouze pro školní prostředí, tudíž tato část by byla neopodstatněná. Všem projekcím byly přiřazeny hodnoty důležitosti. Poté se hodnotila vzájemná závislost (korelace) mezi řádky a sloupci tabulky. Výsledky jednotlivých závislostí obsahuje tabulka 2. Hodnoty korelací jsou čísla 1, 3, 9. Kde číslo 9 je nejvýznamnější hodnota.
Nyní zde budou vypsány jednotlivé projekce do budoucnosti. Kvůli srovnávání toků a globálnímu oteplování nastávají větší výkyvy počasí, které mohou vyvolat častější záplavy. Proto je potřeba, aby protipovodňová opatření byla rychleji vystavitelná. Také je potřeba pružná konstrukce, která umožní kopírování kontury terénu. Pro další konstrukce by bylo výhodné využití okolí a také možnost hlášení průběhu povodně.
Tabulka 2.: Inovační příležitosti
Inovační příležitosti
Váha Samo skládací konstrukce Členěná konstrukce Měření výšky hladiny Měření rychlosti průtoku Částečné zapuštění bariéry do měkkého podloží Výšková změna podle výšky hladiny Rychle vystavěný výrobek 8 9 3 1 1 3 9
Pružná konstrukce 7 3 9 0 0 3 1
Využití okolí 5 1 1 3 3 9 1
Hlášení průběhu povodně 4 0 0 9 9 0 0 98 92 59 59 90 84
Z korelační tabulky vychází, že nejzajímavějším směrem řešení je zaměření na samo- skládací konstrukci a na konstrukci členitou. Tyto varianty získaly nejvíce bodů, a proto mají největší váhu pro další řešení.
2.3 2.3
2.3 2.3 Inovační prohlášení Inovační prohlášení Inovační prohlášení Inovační prohlášení
Inovační prohlášení přeformuluje inovační návrh do inovačního prohlášení. Tento dokument sumarizuje směry, které by měly být sledovány ve fázi vývoje výrobku [9].
22 Tabulka 3.: Inovační prohlášení
Popis inovovaného výrobku (záměr)
Vytvořte samo-vykládací bariéru a mechanismus, který umožní vyložení s co nejmenším počtem obsluhy. S rychlostí výstavby do 20 minut.
Klíčové obchodní cíle Prodej návrhu nového řešení, patentování možného řešení Primární trh Výrobci mobilních bariér
Sekundární trh Výrobci těžké, zemědělské techniky
Předpoklady Vlastní licence CAD systémů. Inovační metody Omezení Malá praxe v oblasti s velikou konkurencí
Tabulka 3 obsahuje základní informace, které vytvářejí podrobnější zadání řešení pro inovaci mobilních protipovodňových bariér. Předpoklady a omezení v uspění s novým návrhem na trhu. Za předpokladu využití navrženého řešení.
2.4 2.4
2.4 2.4 Dům kvality Dům kvality Dům kvality Dům kvality (HoQ) (HoQ) (HoQ) (HoQ)
Metoda QFD (quality funcion deployment) zajištuje, že hlas zákazníka ovlivňuje již návrh a plánování produktu. Zabývá se analýzou zákaznických potřeb, které se projevují ve vývoji, konstrukci a výrobě. QFD se zaměřuje na nejdůležitější kvalitativní znaky, které potřebují být vylepšeny. [9]
V řádcích je zaznamenán hlas zákazníka a ve sloupcích je zaznamenán hlas konstruktéra, který reaguje na požadavky zákazníka. Mezi těmito řádky a sloupci se hodnotí vzájemná korelace. Tato závislost (korelace) bude hodnocena čísly 0, 1, 3, 9, kde 9 slouží pro největší závislost a obráceně.
Dům kvality (HoQ) je přiložen v příloze.
Dům kvality nám určil 4 základní části, které jsou významné pro další konstrukci.
První je délka jednotlivé části bariéry. Tento rozměr je důležitý z hlediska schopnosti přizpůsobení kontuře terénu. Delší segmenty jsou přímo úměrné horšímu dodržování kontury. Další významná část je hmotnost konstrukce. Její velikost by měla být co nejnižší. Ovšem za předpokladu využití mechanizace je tato hodnota méně významná.
Dále pak čas výstavby popřípadě čas plnění. Potřebný čas je velice důležitou hodnotou, a proto ze zadaných 20 minut výstavby se zaměříme ještě na řešení, která budou rychlejší. V neposlední řadě z QFD vyplývá důležitost utěsnění bariéry, jejíž propustnost by měla být co nejnižší. Naše řešení budou cílit k nulové propustnosti.
23
3 33
3 Návrh konceptů Návrh konceptů Návrh konceptů Návrh konceptů
V této práci je zpracováno 5 konceptů pro inovaci protipovodňové bariéry. Tyto návrhy vyšly z předchozího průzkumu stávajících řešení. Také byly využity metody inovačního inženýrství, které určily směr, kterým jsou koncepty směřovány.
3.1 3.1 3.1
3.1 Koncept 1 Koncept 1 Koncept 1 Koncept 1
Tento koncept (obr. 11) je navržen, jako neplněná bariéra. Skládá se ze tří základních částí. Základní deska (1) je kloubem spojena s deskou podstavy (3). Konečná poloha a přenos síly do podloží je zajištěna ocelovým lanem (2). Pro lano jsou 2 úchytné body.
První bod zajišťuje rozloženou polohu a vymezuje pravý úhel desek (1) a (3). Druhý bod zajištuje převozní a skladovací polohu. Desky jsou spojeny pružným elementem, který zajišťuje natočení segmentů vůči sobě.
Obrázek 11.: Koncept 1.1, zdroj: vlastní
Mobilní bariéra je složena v kontejnerech na tahači. Tahač (obr. 12) je opatřen pluhem, který vytváří rýhu. Do rýhy se rozložená bariéra zapustí. Po uložení bariéry na místo se rýha zahrne a stlačí pluhem (5). Po zahrnutí se ocelové lano přepne do 1. bodu.
Zátěž bariéry vyvozuje záplavová voda a stlačená zemina. Stlačená zemina také zajišťuje těsnění kolem pružných elementů a desek.
24
Pluhy (4) a (5) jsou výškově nastavitelné hydraulickým válcem. Vodicí kolečka (6) drží polohu desek před zahrnutím.
Obrázek 12.: Koncept 1.2, zdroj: vlastní
3.2 3.2 3.2
3.2 Koncept 2 Koncept 2 Koncept 2 Koncept 2
Mobilní bariéra se skládá z nepropustné tkaniny a plechových výztuží, které drží tvar buněk v nenaplněném stavu. Celá bariéra se skládá ze spojených buněk. Jednotlivé buňky se po rozložení plní vodou, popřípadě jiným sypkým nebo kapalným materiálem.
Bariéra je zobrazena na obrázcích 13 a 14.
Ve spodní části buněk jsou uzávěry, které po použití umožňují vypuštění buněk. Při použití sypkého materiálu je třeba pro vyprázdnění celou bariéru překlopit.
Obrázek 13.:Koncept 2.1, zdroj: vlastní
25 Obrázek 14.: Koncept 2.2, zdroj: vlastní
Mobilní bariéra je složena v kontejneru. Rozkládání mobilní bariéry je založeno na principu rozložení a naplnění první buňky. Po naplnění buňky se tahač s kontejnerem dá do pohybu a zbylé buňky se vytáhnou z kontejneru. Vlek také obsahuje pluh, který urovnává příčně povrch podloží, aby bariéra stála na rovném povrchu. Na obrázku 15 je zobrazen vlek při vykládání bariéry.
Obrázek 15.: Koncept 2.3, zdroj: vlastní
3.3 3.3 3.3
3.3 Koncept 3 Koncept 3 Koncept 3 Koncept 3
Mobilní bariéra zobrazená na obrázku 16 se skládá z litinového řetězu (1), pod kterým se před rozmotáním natáhne nepropustná folie (4). Do drážek řetězu se poté vloží desky (2), které se zajistí v poloze 45° k zemi. Zajištění je vyvozeno soustavou trubek (5). Do mezer mezi deskami (2) se vloží pružné elementy s výztuží (3), které
26
překlenou mezery mezi deskami a zamezí prohnutí a protržení folie. Folie se shora připevní na desku a tím vytvoří nepropustnou bariéru.
Obrázek 16.: Koncept 3.1, zdroj: vlastní
Litinový řetěz na obrázku 17 je namotán na cívce (6) v několika řadách. Každá řada je na cívce namotána zvlášť. Tyto řady se po rozvinutí z cívky dají spojit spojovacím článkem řetězu. Rozmotání cívky je zajištěno zaháknutím prvního článku řetězu za traktor a tažením. Držák cívky je převážen na místo na předních hydraulických ramenech traktoru.
Desky (2) a pružné elementy (3) jsou složeny na paletách a po jedné se vkládají do drážek.
Obrázek 17.: Koncept 3.2, zdroj: vlastní
3.4 3.4 3.4
3.4 Koncept 4 Koncept 4 Koncept 4 Koncept 4
Mobilní bariéra se skládá z nepropustného vaku (1), který je v jedné polovině vyztužen (2) pro získání větší odolnosti proti protržení. Na jednom konci vaku je řada
27
výpustných/nápustných ventilů (3). Na druhém konci jsou oka (4) pro opětovné zaháknutí a namotání na cívku. Návrh tohoto konceptu je zobrazen na obrázku 18.
Vak je naplněn vodou, která vyvozuje potřebné zatížení bariéry.
Cívka s celým závěsným mechanismem (5) je spojena s traktorem 3. Bodovým mechanismem, který umožňuje polohování celého mechanismu. Na závěsném mechanismu je také pluh (6), který vytváří rovnoměrný povrch i terénovou zarážku pro vak. Zarážka napomáhá udržení vaku ve správné poloze.
Cívka je poháněná přes výstupní hřídel, který má rychlost otáček spjatý s rychlostí pojezdu. Toto uspořádání umožňuje plynulý rozvin i opětovné namotání bariéry.
Obrázek 18.: Koncept 4, zdroj: vlastní
3.5 3.5 3.5
3.5 Koncept 5 Koncept 5 Koncept 5 Koncept 5
Koncept této bariéry se řadí mezi bariéry neplněné, které využívají přílivovou vodu jako zátěž. Její návrh je naskicován na obrázku 19.
28
Bariéra se skládá z desek, které jsou propojené sítí. Každá deska je složena z kovového rámu, ke kterému je připojena kovová síť. Ke každé desce jsou připojeny 2 podpěrné nohy, které zapadají do rámu. Nohy jsou při vykládání automaticky skládány a bariéra po výstupu z mechanismu přikryta nepropustnou vrstvou tkaniny. Tkanina je částečně zapuštěna do země. Při vykládce bariéry pluh vytváří rýhu, do které se tkanina zapustí. Za pluhem následuje přihrnovací pluh, který vzniklou rýhu i s tkaninou opět přihrne.
Obrázek 19.: Koncept 5.1, zdroj: vlastní
Bariéry jsou uloženy ve složeném stavu v přepravním boxu. Box je lehce přemístitelný a každé vykládací zařízení může tyto kontejnery rychle vyměnit. Takže jedno zařízení může hned po sobě vykládat další blok bariér. Tažné zařízení na vykládání bariéry je na obrázku 20.
Obrázek 20.: Koncept 5.2, zdroj: vlastní
29
3.6 3.6 3.6
3.6 Výběr nejlepší varianty Výběr nejlepší varianty Výběr nejlepší varianty Výběr nejlepší varianty
Výběr varianty byl vytvořen na základě rozhodovací techniky Analytic hierarchy proces, dále jen AHP.
AHP je strukturovaná technika organizace a analýzy strukturního rozhodování založená na matematice a psychologii.
AHP nepředepisuje správné rozhodnutí, ale pomáhá najít takové rozhodnutí, které nejvíce odpovídá závěru a jejich pochopení problému. Poskytuje obsáhlou a racionální strukturu pro konstrukci a rozhodnutí díky vyčíslenému zobrazení jednotlivých elementů. Tyto elementy jsou poté hodnoceny a udávají, s jakou mírou elementy splňují celkový výsledek. Každý element alternativního řešení se porovná s požadovanou hodnotou a vybere se ten element, který nejvíce odpovídá zadání [10].
Pro výběr nejlepší varianty bylo zapotřebí zvolit kritéria hodnocení a parametry, které jsou pro konstrukci dominantní. Tyto kritéria a parametry poté byly roztříděny a systematicky ohodnoceny.
3.6.1 3.6.1 3.6.1
3.6.1 Volba kritérií Volba kritérií Volba kritérií Volba kritérií
Pro všechny koncepty je uvažována stejná výška povodňové vody. Z toho důvodu se proto toto kritérium nevyskytuje v následujícím úseku.
Kritéria byla vybrána na základě hlavních potřeb mobilních bariér. Nejvýznamnějším kritériem je rychlost nasazení a výstavby bariéry. Velice důležité je schopnost bariéry přizpůsobit k terénním nerovnostem. Dalším důležitým kritériem je počet montážních dělníků, který by měl být co nejnižší. Neméně důležitým kritériem je znovu použitelnost konstrukce. V poslední řadě se jedná o rozměry bariéry ve složeném stavu a tedy jejich skladnost.
V tabulce 4 jsou tato kritéria zapsána a ohodnocena váhovými koeficienty od 1 do 6.
Jednotlivá čísla udávají kolikrát je jedno kritérium významnější než kritérium druhé, popřípadě jejich obrácenou hodnotu.
Tabulka 4.: Kritéria bariér s váhovými koeficienty Kritéria Čas výstavby Přizpůsobení
nerovnostem
Počet obsluhujících
Opětovné
využité Skladnost
Čas výstavby 1 3 2 2 3
Přizpůsobení
nerovnostem 1/3 1 1/2 2 1
30 Počet
obsluhujících 1/2 2 1 3 5
Opětovné využití 1/2 1/2 1/3 1 2
Odolnost proti
proudu 1/3 1 1/5 1/2 1
Několikanásobnou iterací této tabulky (matice) a další matematickou operací byl získán požadovaný vektor, který je potřebný k dalšímu výpočtu. Tento vektor se nazývá Eigen vektor kritérií.
V tabulce 5 je zobrazen výsledný Eigen vektor kritérií.
Tabulka 5.: Eigen vektor kritérií
Kritéria 0,354712 0,139715 0,295295 0,121984 0,088294
3.6.2 3.6.2 3.6.2
3.6.2 Hodnocení konceptů Hodnocení konceptů Hodnocení konceptů Hodnocení konceptů
Každé kritérium se ohodnotí napříč všemi koncepty. Tyto hodnoty byly získány porovnáváním jednotlivých konceptů. Všechny hodnoty pro jednotlivá kritéria byly předběžně určeny. Toto hodnocení posloužilo k dalšímu hodnocení výsledků napříč jednotlivými variantami.
Čas stavby byl předběžně odvozen podle již existujících stylů bariér a princů stavby jednotlivých konceptů.
Čas výstavby
Tabulka 6.: Hodnocení konceptů pro kritérium času výstavby.
Čas výstavby Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5
Koncept 1 1 2 3 2 1
Koncept 2 1/2 1 3 1 1/2
Koncept 3 1/3 1/3 1 1/2 1/3
Koncept 4 1/2 1 2 1 1/3
Koncept 5 1 2 3 3 1
Přizpůsobení nerovnostem
31
Tabulka 7.: Hodnocení konceptů pro kritérium přizpůsobení nerovnostem.
Přizpůsobení Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5
Koncept 1 1 1/2 1 1/2 1
Koncept 2 2 1 2 1 2
Koncept 3 1 1/2 1 1/2 1
Koncept 4 2 1 2 1 2
Koncept 5 1 1/2 1 1/2 1
Počet obsluhujících
Tabulka 8.: Hodnocení konceptů pro kritérium počtu obsluhy.
Počet obsluhy Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5
Koncept 1 1 2 4 2 1/2
Koncept 2 1/2 1 2 1 1/4
Koncept 3 1/4 1/2 1 1/2 1/8
Koncept 4 1/2 1 2 1 1/4
Koncept 5 2 4 8 4 1
Opětovné využití
Tabulka 9.: Hodnocení konceptů pro kritérium opětovného použití.
Znovu použitelnost Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5
Koncept 1 1 4 1/2 4 1/2
Koncept 2 1/4 1 1/3 1 1/3
Koncept 3 2 3 1 2 1
Koncept 4 1/4 1 1/2 1 1/3
Koncept 5 2 3 1 3 1
Skladnost konstrukce
Tabulka 10.: Hodnocení konceptů pro kritérium skladnosti.
Skladnost Koncept 1 Koncept 2 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5
Koncept 1 1 1/2 1/2 1/3 1
Koncept 2 2 1 2 1/2 2
Koncept 3 5 3 1 1/4 1/2
Koncept 4 2 2 1/3 1 3
Koncept 5 5 3 1 3 1
32
3.6.3
3.6.3 3.6.3
3.6.3 Výpočet vítězného konceptu Výpočet vítězného konceptu Výpočet vítězného konceptu Výpočet vítězného konceptu
Výpočet vítězného konceptu proběhne vynásobením matice vektorů jednotlivých kritérií s vektorem kritérií.
Čas
výstavby Přizpůsobení počet obsluhy
znovu
užitelnost Skladnost Vektor kritérií Koncept 1 0,289891 0,142857 0,235294 0,235531 0,107872 0,354712 Koncept 2 0,168821 0,285714 0,117647 0,082486 0,225949 0,139715 Koncept 3 0,080883 0,142857 0,058824 0,286374 0,1200037 • 0,295295 Koncept 4 0,142476 0,285714 0,117647 0,091647 0,403465 0,121984 Koncept 5 0,317929 0,142857 0,470588 0,303963 0,142678 0,088294
Výsledný vektor 0,230524 0,164554
= 0,111551 0,172 0,321371
Vítěznou variantou se stal koncept 5, protože získal nejvyšší hodnocení z výsledného vektoru. Tato hodnota je rovna 0,32. Druhou variantou je koncept 1 s hodnotou 0,23.
Kontrola konzistence dat
Konzistence dat je nutné provést jako kontrolu volby jednotlivých vzájemných vztahů napříč koncepty. Tedy správné určení jednotlivých násobků funkcí v korelačních maticích. Konzistence dat bude dopočítána s pomocí softwaru Matlab 2011 a budou určeny největší vlastní čísla matic. Konzistence matice se počítá z rovnice 1. Výsledky výpočtu největších vlastních čísel je zobrazen na obrázku 15. Největší vlastní čísla jsou označeny koeficienty čísly 1-5 pro jednotlivé koncepty a pro matici kritérií koeficientem k. Rozměr matice je pro všechny případy roven 5.
Vlastní skript pro výpočet maximálního vlastního čísla pro jednotlivé matice je zobrazen na obrázku 21. Přičemž v horní části je zápis matic a druhá část obsahuje výpočet vlastních čísel. Na obrázku 22 jsou výsledné hodnoty maximálních vlastních čísel jednotlivých matic.
33
Obrázek 21.: Skript výpočtu největších vlastních čísel, zdroj: vlastní
Obrázek 22.: Výsledné hodnoty vlastních čísel vypočtené Matlabem 2011, zdroj:
vlastní
Rovnicemi 2-7 budou dopočítané hodnoty dílčích koeficientů konzistence.
= 5,21811, = 5,0814, = 5, = 5,
= 5,2104 , = 5,1730 , = 5
= −
− 1 (1)
= −
− 1 = 5,21811 − 5
5 − 1 = 0,055 (2)
= −
− 1 = 5,0814 − 5
5 − 1 = 0,020 (3)
= −
− 1 = 5 − 5
5 − 1 = 0 (4)
= −
− 1 = 5 − 5
5 − 1 = 0 (5)
= −
− 1 = 5,2104 − 5
5 − 1 = 0,053 (6)
34
= = , ! =0,043 (7)
Rozhodovací matice jsou konzistentní za předpokladu hodnoty konzistence CI < 0,1.
Z vypočtených hodnot vychází pro všechny matice dostatečná konzistence dat. Díky tomuto ověření je rozhodovací proces proveden správně a vítězný koncept 5 je tedy správně vítězný.
4 44
4 Rozpracování vítězné variant Rozpracování vítězné variantyyyy Rozpracování vítězné variant Rozpracování vítězné variant
V této kapitole je nastíněna konstrukce a základní výpočty pro řešení vítězného konceptu.
Celá tato konstrukce nereprezentuje hotový výrobek. Jedná se o prvotní vizi tohoto konceptu vykládání. Kompletní řešení této konstrukce, která se skládá z konstrukce bariéry, uložení bariéry, vykládacího mechanismu a vleku, nespadá do možného časového rozsahu takto složitého problému, a proto jsou zde nastíněny a vyřešeny hlavní body tohoto problému. Komplexní konstrukce všech komponent by byla provedena za předpokladu případného využití tohoto řešení.
4.1 4.1 4.1
4.1 Segment bariéry Segment bariéry Segment bariéry Segment bariéry
Z konceptu vyplývá, že bariéra bude v základní poloze sklopená o úhel α.
Nejvýhodnější úhel podle průzkumu trhu odpovídá úhlům mezi 40 – 60°. Hlavním požadavkem je, aby vodorovná složka vyvolaná hydrostatickou, popřípadě dynamickou složkou, byla menší než síla vyvozená třecí silou nohou bariéry. Tuto třecí sílu získáme součtem tíhové síly vody a tíhové síly bariéry vynásobené třecím koeficientem. Další důležitou vlastností bariéry musí být odolnost vůči převrácení. Této vlastnosti dosáhneme posunutím podpůrné nohy nad těžiště zatěžující síly vyvozené tlakem kapaliny.
V neposlední řadě se jedná o polohu podpěrných nohou směrem k bariéře. Jestli je možné odstranit, nebo minimalizovat složky zatěžující nohy jinak než tlakovým namáháním.
4.1.1 4.1.1 4.1.1
4.1.1 Výpočet zatěžující síly Výpočet zatěžující síly Výpočet zatěžující síly Výpočet zatěžující síly a polohy nohy a polohy nohy a polohy nohy a polohy nohy
Pro tento výpočet budeme předpokládat, že proud tekoucí vody směřuje rovnoběžně s bariérou. Pro tento případ můžeme použít zjednodušení, při kterém bude na bariéru působit pouze hydrostatický tlak. Nejprve vypočítáme základní hodnotu
35
hydrostatického tlaku v případě, že hladina dosahuje maximální úrovně bariéry.
V následující kapitole bude popsán postup výpočtu s referenčním úhlem 40°. Poté budou provedeny další výpočty s dalšími úhly pro získání nejvýhodnější varianty řešení.
Tento výpočet počítá hydrostatickou sílu na jednotlivý segment a ke každému segmentu je připočítaná plocha spojujícího materiálu.
Základní parametry bariéry jsou vypsány v tabulce 11.
Tabulka 11.: Základní parametry bariéry
Výška desky v 1800 mm
Délka desky b 1000 mm
Délka spojujícího členu b1 300 mm
Úhel sklonu bariéry α 40°
Hustota povodňové vody ΡH2O 1200 kg/m3
Pro získání maximálního hydrostatického tlaku bylo nutné vypočítat maximální výšku hladiny, která je dosažena při začátku přetékání bariéry.
Schéma zatěžovaného segmentu (obr. 23. 24).
Obrázek 23.: Schéma segmentu bariéry, zdroj: vlastní
36
Obrázek 24.: Schéma zatěžování segmentu bariéry, zdroj: vlastní Maximální výška hladiny
" = # ∙ sin()* (8)
" = 1800 ∙ sin(40°* = 1157 ,, (9)
Poloha síly je vypočítána na základě zatěžujícího obrazce. Pro obdélníkovou plochu je rovna:
- = 13 ∙ "
sin()* (10)
- =
13 ∙ 1157
sin(40°* = 600 ,, (11)
Další důležitou veličinou, která byla potřeba vypočítat je vodorovná síla Fx, která byla získána z rovnice 12. Do této rovnice budou rozměry bariér dosazovány v metrech.
/ = "
2 ∙ (0 + 0* ∙ 2345∙ 6 (12)
/ = 1,157
2 ∙ (0,3 + 1* ∙ 1200 ∙ 9,81 = 10243,4 8 (13) K výpočtu svislé síly z rovnice 16 bude zapotřebí dopočítat vodorovnou délku desky, která je zaplavená. Tuto veličinu vypočítáme dosazením do rovnice 14.
9 = # ∙ cos ()* (14)
9 = 1800 ∙ cos (40°* = 1379 ,, (15)
37 /< =1
2 ∙ " ∙ (0 + 0* ∙ 2345∙ 6 ∙ 9 (16) /< =1
2 ∙ 1,157 ∙ (0,3 + 1* ∙ 1200 ∙ 9,81 ∙ 1,379 = 12207,6 8 (17) Z dílčích složek bude vypočítána výsledná zatěžující síla /=.
/= = >/ + /< (18)
/= = ?10234,4 + 12207,6 = 15935,9 8 (19)
Výsledné hodnoty pro zadaný úhel 40° 45° 50° a 60°jsou zaznamenány v tabulkách 12 - 15.
Tabulka 12.: Výsledné hodnoty sil pro úhel 40°
/ = 10234,4 8 /< = 12207,6 8 /= = 15935,9 8 Tabulka 13.: Výsledné hodnoty sil pro úhel 45°
/ = 12395,9 8 /< = 12395,9 8 /= = 17530 8 Tabulka 14.: Výsledné hodnoty sil pro úhel 50°
/ = 14548,4 8 /< = 12207,6 8 /= = 18991,7 8 Tabulka 15.: Výsledné hodnoty sil pro úhel 60°
/ = 18593,9 8 /< = 10735,2 8 /= = 21470,4 8
Nejvýhodnější variantou z těchto úhlů vychází bariéra stavěná pod úhlem 40°, u kterého převládá svislá zatěžující složka. Tato složka pomůže k upevnění bariéry na místě. Také výsledná zatěžující síla je u této varianty nejnižší. Díky tomu bude konstrukce konstruována na menší zatížení a tím bude vytvořena lehčí konstrukce.
Když jsou známy zatěžující síly, bude se dále postupovat návrhem podpěrných nohou a jejich nejvýhodnější umístění.
38
Těžiště zatěžující síly se nachází ve vzdálenosti 0,6 m od spodní hrany bariéry. Pro získání větší stability a pro získání odolnosti proti proudu vody byla zvolena poloha nohy ve vzdálenosti 1,2 metru od spodní hrany zábrany. Skládací nohy budou navrženy tak, aby reakce v bodě B byla kolmá k desce zábrany. Toho docílíme umístěním nohy kolmo k desce (obr. 25).
Obrázek 25.: Schéma zatěžování, zdroj: vlastní
Toto silové zatížení si převedeme do polohy, při které osa x1 bude směřovat vodorovně a osa y1 svisle. Navržená bariéra bude mít dvě nohy. Kvůli tomu vypočtené síly / , /< budeme dělit dvěma. Hodnoty z a X jsou převzaty z předchozího výpočtu.
Nejprve budou napsány rovnice rovnováhy pro případ na obrázku 26.
Obrázek 26.: Schéma silového působení na segment bariéry, zdroj: vlastní / = 10234,4 N, /< = 12207,6 8, A = 1200 ,,, - = 600 ,,
39
B: DE + / − /< = 0 (20)
F: DE< − / < − /<< + DG = 0 (21)
H: / < ∙ - + /<< ∙ - − DG∙ A = 0 (22)
/ =/
2 ∙ sin (50°* (23)
/ =10234,4
2 ∙ sin(50°* = 5121,7 ∙ sin(50°* = 3923,45 8 (24) / < = /
2 ∙ cos (50°* (25)
/ < = 10234,4
2 ∙ cos(50°* = 5121,7 ∙ cos(50°* = 3292,17 8 (26) /< = /<
2 ∙ sin (40°* (27)
/< = 12207,6
2 ∙ sin(40°* = 6103,8 ∙ sin(40°* = 3923,45 8 (28) /<< =/<
2 ∙ cos (40°* (29)
/<< =12207,6
2 ∙ cos (40°* = 6103,8 ∙ cos(40°* = 4675,78 8 (30) Z rovnice (22) vyplývá rovnice (31).
DG = /< ∙ - + /<< ∙ -
A = 3292,17 ∙ 600 + 4675,78 ∙ 600
1200 = 3983,98 8 (31)
Z rovnice (21) vychází rovnice (32).
DE< = /< + /<< − DG (32)
DE< = 3292,17 + 4675,78 − 3983,98 = 3983,97 8 (33)
Z rovnice (20) po úpravě vychází rovnice (34).
DE = / − /< (34)
DE = 3923,45 − 3923,45 = 0 8 (35)
Jednotlivé dílčí reakce jsou rovny hodnotám: DG= 3983,97 8, DE< = 3983,97 8, DE = 0 8. Tyto reakce budou použity k dalšímu výpočtu zatížení uložení nohou bariéry.
4.1.2 4.1.2 4.1.2
4.1.2 Výpočet Výpočet Výpočet Výpočet čepů podpěrných nohou. čepů podpěrných nohou. čepů podpěrných nohou. čepů podpěrných nohou.
V tomto kroku budou vypočteny všechny čtyři čepy, které vytváří uložení nohou.
Čep 1 spojuje spodní nohu a spodní část bariéry. Čep 2 spojuje spodní nohu a horní
40
nohu. Čep číslo 3 spojuje horní nohu se zamykacím mechanismem. Čep 4 propojuje spojení obou nohou a desku, na které je noha podepřena. Všechny čepy jsou vyrobeny z oceli 11 523, jejíž dovolené hodnoty jsou: IJ = 140 HKL, MJN = 233 HKL. Materiál těla zamykacího mechanismu je také ocel 11 523. V dalším výpočtu bude označena proměnnou T tloušťka profilu kloubu nohou. Hodnoty, se kterými se bude počítat a které vycházejí z předešlých kapitol, budou vždy shrnuty před výpočtem.
Čep 1
Tento čep je zatěžován vypočtenou reakcí DE< , která bude v následujícím výpočtu označena / . A počet průřezů je O = 2.
Výpočet čepu na smyk:
DE< = / = 3983,97 N, MJN = 233 HKL, O = 2
M = /
O ∙ P = / 2 ∙ Q ∙ R4
≤ MJN (37)
R ≥ U 2 ∙ /
Q ∙ MJNč (38)
R ≥ U2 ∙ 3983,97
Q ∙ 233 ∙ 10W = 0,0033 , = 3,3 ,, (39)
Pro konstrukci volím průměr čepu R = 20 ,,. Tento rozměr ještě musí být zkontrolován na otlačení. Bude kontrolováno uložení čepu a dolní noha. Kde X je tloušťka stěny kloubu nohy a X je tloušťka profilu v uložení čepu.
R = 20 ,,, X = 4 ,,, X = 4 ,,, IJ = 140 HKL, / = 3983,97 N
I = /
P = /
R ∙ 2 ∙ X ≤ IJ (40)
I = 3983,97
0,02 ∙ 2 ∙ 0,004 = 24899812 KL = 24,9 HKL (41)
= IJ
I = 140
24,9 = 5,62 (42)
Obě součásti mají stejný materiál i stejnou tloušťku stěny, z tohoto důvodu je výpočet proveden jeden, který platí pro obě součásti. Součásti byly zkontrolovány na otlačení a bezpečnost vyšla 5,62. Tato hodnota je pro další konstrukci dostačující. Tato
41
bezpečnost zaručuje odolnost proti možným rázům vzniklým nárazem plovoucího předmětu.
Čep 2
Tento čep je zatěžován vypočtenou silou / , která je tvořena reakcemi DG L DE< . A počet průřezů O = 2. Ze schématu na obrázku 27 budou napsány rovnice rovnováhy.
Obrázek 27.: Schéma zatěžujících sil v bodě C, zdroj: vlastní DG = 3983,98 N, DE< = 3983,97 N, MJN = 233 HKL, O = 2
DE< = DE< ∙ YZO(40°* (43)
DE< = 3983,97 ∙ YZO(40°* = 2560,85 8 (44)
B: DE< + DG − D[ = 0 (45)
y: DG<− D[< = 0 (46)
DG = DG∙ sin(40°* (47)
DG = 3983,98 ∙ sin(40°* = 2560,85 8 (48)
DG< = DG∙ cos(40°* (49)
DG< = 3983,98 ∙ cos(40°* = 3051,91 8 (50)
Z rovnice 45 a 46 dopočítáme složky reakce v bodě C.
D[ = DE< + DG (51)
D[ = 2560,85 + 2560,85 = 5121,7 N (52)
D[< = DG< (53)
D[< = 3051,91 8 (54)
D[ = >D[ + D[< (55)
D[ = ?5121,7 + 3051,91 = 5962 8 = / (56)
42 M = /
O ∙ P = / 2 ∙ Q ∙ R4
≤ MJN (57)
R ≥ U 2 ∙ /
Q ∙ MJNč (58)
R ≥ U 2 ∙ 5962
Q ∙ 233 ∙ 10W = 0,00404 , = 4,04 ,, (59)
Pro konstrukci volím průměr čepu R = 20 ,,. Tento rozměr ještě musí být zkontrolován na otlačení. Bude kontrolováno uložení nohy. Výpočet bude proveden pro jedno ze dvou uložení nohou. Obě uložení nohy mají stejnou tloušťku stěny, a proto je výsledek totožný. X je tloušťka stěny uložení kloubu nohy.
R = 20 ,,, X = 4 ,,, IJ = 140 HKL, / = 5962 N
I = /
P = /
R ∙ 2 ∙ X ≤ IJ (60)
I = 5962
0,02 ∙ 2 ∙ 0,004 = 37262500 KL = 37,26 HKL (61)
= IJ
I = 140
37,26 = 3,75 (62)
Obě součásti byly zkontrolovány na otlačení a bezpečnost je rovna 3,75. Tato hodnota je pro další konstrukci dostačující. Tato bezpečnost zaručuje odolnost proti možným rázům vzniklým nárazem plovoucího předmětu.
Čep 3
Tento čep je zatěžován vypočtenou reakcí DG. A počet průřezů O = 2.
Výpočet čepu na smyk:
DG = / = 3983,98 N, MJN = 233 HKL, O = 2 M = /
O ∙ P = / 2 ∙ Q ∙ R4
≤ MJN (63)
R ≥ U 2 ∙ /
Q ∙ MJNč (64)
43 R ≥ U2 ∙ 3989,98
Q ∙ 233 ∙ 10W = 0,0033 , = 3,3 ,, (65)
Pro konstrukci volím průměr čepu R = 16 ,,. Tento rozměr ještě musí být zkontrolován na otlačení. Bude kontrolováno uložení mechanismu a kloub nohy. Obě součásti mají X = 4 ,,.
R = 16 ,,, X = 4 ,,, IJ = 140 HKL, / = 3983,98 N
I = /
P = /
R ∙ 2 ∙ X ≤ IJ (66)
I = 3983,98
0,016 ∙ 2 ∙ 0,004 = 31124843,8 KL = 31,12 HKL (67)
= IJ
I = 140
31,12 = 4,49 (68)
Obě součásti byly zkontrolovány na otlačení a bezpečnost obou součástí je rovna 4,49. Tato hodnota je pro další konstrukci dostačující. Bezpečnost zaručuje odolnost proti možným rázům vzniklým nárazem plovoucího předmětu.
Čep 4
Čep 4 je namáhán stejným zatížením jako čep 2. Jeho uložení je také stejné. Z tohoto důvodu je výpočet bezpečnosti totožný s výpočtem pro čep 2. Výsledná bezpečnost je rovna 3,75. Tato bezpečnost je opět dostačující.
4.1.3 4.1.3 4.1.3
4.1.3 Konstrukce segmentu bariéry Konstrukce segmentu bariéry Konstrukce segmentu bariéry Konstrukce segmentu bariéry
Segment se skládá ze čtyř čtvercových ocelových profilů o rozměrech 30x30 mm.
Profily jsou k sobě v rozích svařeny. K této konstrukci jsou svisle přivařeny 2 U profily, ke kterým jsou příčně navařeny spojovací plechy. Tyto profily částečně zasahují do místa těžiště zatěžující síly vyvozené hydrostatickým tlakem. K plechům a vodorovným profilům je přichycena ocelová síť. Tato konstrukce je podepřena dvěma sestavami nohou. Každá sestava nohou se skládá z dolní a horní nohy.
Dolní noha je přichycena k U profilu pomocí čepu a v axiálním směru je zajištěná pojistným kroužkem (obr. 28 – kloub 1). K horní noze je dolní noha opět přichycena pomocí čepu a pojistného kroužku (obr. 28 – kloub 2).
44 Obrázek 28.:Segment bariéry, zdroj: vlastní
K horní noze je přivařen díl, ve kterém je zasazen vypočtený čep průměru 16 mm (obr. 29). Na čepu 4 je přichycena podpěrná deska. Ta slouží k získání větší plochy pro opření nohy o podloží.
Obrázek 29.: Zakončení horní nohy (vlevo), podpěrná deska (vpravo), zdroj: vlastní Mechanismus zámku nohou se skládá ze 4 součástí a funguje na principu karabiny.
První částí je vložka, přes kterou je přenášená síla z konstrukce segmentu do nohy.
Druhou součástí jsou dvě páky zámku, které fungují jako uzavírací prvek. Páka je přichycená na čepu a opírá se o dorazový čep zámku. Dalšími součástmi jsou čep zámku a zkrutná pružina. Zkrutná pružina spojuje tělo a páku. Tímto spojením drží páku zámku v základní zavřené poloze (viz obrázek 30 - vpravo).
Horní noha
Dolní noha
U profily Spojovací plechy
Kloub 2 Kloub 1
Mechanismus upínání nohy Mechanismus zámku nohy
Podpěrná deska
Kloub 2
Čep 2
Čep 4 Čep zámku (3)
Podpěrná deska
45
Obrázek 30.: Upevnění nohy k tělu hráze (vlevo). Mechanismus zámku nohy (vpravo), zdroj: vlastní
Obrázek 31.: Řez mechanismem zámku nohy, zdroj: vlastní
Horní noha se při sestavování posouvá po dně U profilu. Když čep narazí na mechanismus zámku nohy, je veden naváděcí hranou vložky. V další fázi čep přetlačí pružinu a odklopí páku zámku. Následně pokračuje do kapsy, kde je uzavřen pákou zámku, která byla přetlačena zpátky pružinou. Čep se nyní nachází v kapse, kde má umožněné vůle a při zatížení se přesune do prostoru, který přesně kopíruje tvar čepu.
V této pozici (obrázek 31) je čep ustálen při zatěžování segmentu bariéry.
Vložka umístěná v U profilu je zobrazena na obrázku 32. Jedná se o U profil, ve kterém jsou vyříznuté 2 drážky pro držení čepu nohy. Dále obsahuje 2 díry na každé straně pro přichycení čepů a pákového mechanismu.
Kloub 1
Dolní noha
Vložka
Čep zámku (3) Čep se zkrutnou pružinou
Páka zámku
Čep 1 Dorazový čep
Horní noha 2
Čep horní nohy 1 (3)
Páka zámku Vedení čepu
Čep se zkrutnou pružinou Dorazový čep
46 Obrázek 32.: Vložka zámku nohy, zdroj: vlastní
Na horní noze je také umístěn mechanismus upínání nohy. Je připevněn pomocí čepu a pojistného kroužku. Slouží k upnutí nohy ve složeném stavu bariéry.
Obrázek 33.: Mechanismus upnutí nohy, zdroj: vlastní
Uložené bariéry jsou skladovány ve svislé poloze s nohami složenými podél konstrukce (obr. 34).
Obrázek 34.: Segment bariéry ve složeném stavu, zdroj: vlastní
4.2 4.2
4.2 4.2 Kompletní Kompletní Kompletní Kompletní bariéra bariéra bariéra bariéra
Jednotlivé segmenty jsou propojeny ocelovou sítí. Tato síť umožnuje pevné a pružné propojení mezi jednotlivými segmenty a umožňuje bariéře kopírovat konturu terénu.
Jednotlivé segmenty bariéry mají šířku 1 metr. K ocelové síti jsou připevněny ve vzdálenosti 300 mm. Toto spojení umožní jak boční, tak výškové natočení jednotlivých segmentů. Rozložená bariéra v plné délce za předpokladu rovného povrchu dosahuje délky necelých 130 metrů. Při nerovném terénu se tato vzdálenost částečně snižuje.
47
Obrázek 35.: První 3 segmenty bariéry, zdroj: vlastní
Na obrázku 35 jsou zobrazeny první 3 segmenty bariéry (bez textilie) s pojistnou kotvou. Tato kotva slouží k upevnění prvního segmentu bariéry a zabránění jejímu strhnutí povodňovou vodou při působení v podélném směru bariéry.
Obrázek 36.: Detail prvního segmentu bariéry (vlevo). Pojistná kotva (vpravo), zdroj: vlastní
Kotva je umístěna na místo hydraulickým mechanismem, který se nachází na vykládacím vleku. Na kotvě (obr. 36 vpravo) je umístěno ocelové oko, ke kterému se pomocí karabiny připojí ocelové lano. Ocelové lano je provlečeno upínacím mechanismem textilie a také rámem prvního segmentu.
1. Segment bariéry Ocelová síť Ocelové lano
Pojistná kotva
Ocelové lano Šroub Upevňovací profil
Připojovací profily
Ocelové oko
48
Dále první segment bariéry obsahuje mechanismus pro připojení nylonové tkaniny (obr. 36 vlevo). Textilie se provlékne přes hranu prvního segmentu. Poté se na ni přitiskne upevňovací profil, který se pomocí šroubů přitáhne. Pro pojištění textilie po dostavbě bariéry proběhne pomocí klipsen, které se připevní k horní části bariér.
Obrázek 37.: První segmenty bariéry s přichycenou textilií, zdroj: vlastní
Nepropustnost bariéry je zajištěna nylonovou tkaninou napuštěnou kaučukem (obr.
37). Tato tkanina představuje nosný nepropustný prvek konstrukce, který se opírá o ocelovou síť na šikmé ploše bariéry. Tkanina se upíná tak, aby v dolní části vznikl přesah, který se pomocí vykládacího vleku uloží pod zem. Tkanina je skladována v balících po 135 metrech a šířce 2,5 metru. Tato šířka zajistí přesah na obou stranách bariéry. Tento přesah zajistí správné odvíjení textilie z balíku a následné připnutí v horní části a zahrnutí pod úroveň zeminy.
Obrázek 38.: Přepravní box obsahující 100 bariér, zdroj: vlastní
Nylonová textilie napuštěná kaučukem
Spodní přesah pro uložení pod zem
Kapsy pro standardní vidlice Vrata boxu
