Technika i mechanika
PDE-based approach solved by BEM for tomographic imaging
Tomasz Rymarczyk, Jan Sikora
The present monograph is devoted to selected numerical aspects of tomographic imaging, formulated as partial differential equations and solved primarily by the Boundary Element Method. The book focuses on practical and computational issues that arise when BEM is applied to forward and inverse problems in electrical impedance tomography, diffuse optical tomography, acoustic tomography, ultrasound-related modelling, and wave scattering problems. The motivation for preparing this work comes from the observation that many tomographic modalities require accurate modelling of physical fields inside domains that are only partially accessible from the boundary. In such problems, the measured information is usually obtained from sensors located on the external boundary of the object, whereas the internal distribution of material parameters must be reconstructed indirectly. This naturally leads to the formulation of inverse problems, in which the quality of image reconstruction strongly depends on the reliability and numerical stability of the forward model. Although the Finite Element Method is often more convenient for modelling heterogeneous domains, the Boundary Element Method offers several advantages that are particularly important in selected classes of tomographic and wave propagation problems. These include the reduction of discretisation to the boundary, the natural treatment of unbounded or semi-unbounded domains, and the simultaneous approximation of the state variable and its normal derivative. At the same time, BEM requires careful treatment of boundary conditions, interfaces between subregions, singular integrals, and fundamental solutions of the governing equations. These issues constitute one of the main themes of the monograph. The book does not aim to provide an elementary introduction to BEM or FEM. It is intended for readers with a basic knowledge of numerical methods, mathematical modelling, and partial differential equations. The main objective is to discuss those aspects of BEM implementation that become essential in tomographic applications, especially when the analysed domain contains material heterogeneities, interfaces, complex boundary conditions, or wave phenomena. A substantial part of the monograph is devoted to the comparison of zero-order and second-order boundary elements. The authors analyse how the choice of approximation order influences the accuracy of the forward solution, the behaviour of the numerical model near interfaces and boundaries, and the effectiveness of inverse reconstruction. Particular attention is paid to practical consequences for tomographic imaging, where computational cost, discretisation density, measurement protocol, noise level, and stability of optimisation procedures are of fundamental importance. The monograph also presents the role of benchmark solutions and reference calculations. In several examples, FEM solutions are used as reference results for validating BEM calculations. This comparative approach allows the reader to assess the numerical reliability of the proposed formulations and to understand the circumstances under which BEM may become an effective alternative or complement to FEM in tomographic modelling. The scope of the book extends from electrical impedance tomography to diffuse optical tomography and acoustic tomography. The selected examples show that a common mathematical and numerical framework can be adapted to different physical fields, provided that the governing equations, material parameters, boundary conditions, and measurement protocols are properly defined. This multidisciplinary perspective is important because modern tomographic systems increasingly combine multiple physical modalities and require flexible numerical tools for forward modelling and inverse analysis. The authors also address selected practical difficulties, including the implementation of Dirichlet, Neumann, Robin, periodicity, and interface conditions, the treatment of singularities in integral formulations, the use of fundamental solutions, the definition of objective functions for inverse problems, and the influence of measurement noise on reconstruction accuracy. These topics are presented not only from a theoretical perspective, but also through numerical examples intended to clarify their practical consequences. The book is therefore addressed to researchers, doctoral students, engineers, and specialists working in computational tomography, numerical modelling, inverse problems, non-destructive testing, biomedical engineering, process tomography, acoustic field analysis, and related areas [29]. It may also be useful for developers of tomographic systems who need to understand how numerical modelling choices affect image reconstruction quality and computational efficiency. The authors hope that this monograph will contribute to a better understanding of the practical applicability of the Boundary Element Method in tomographic imaging. The intention is not to demonstrate that BEM should replace FEM in all tomographic problems, but rather to show where BEM provides distinctive computational advantages, what limitations must be considered, and how the method can be effectively used in selected forward and inverse modelling tasks.
Peri-urban. Typologia strefy podmiejskiej średnich miast Mazowsza
Małgorzata Denis
Podstawowym celem tej pracy była autorska identyfikacja, charakterystyka oraz typologia strefy podmiejskiej (peri-urban) średnich miast Mazowsza wraz z próbą zdelimitowania jej zasięgu. W siedmiu rozdziałach monografii udowodniono, że średnie miasta rozlewają się na tereny podmiejskie, zdelimitowano granice strefy peri-urban, dokonano jej podziału na części: obrzeże miejskie (urban fringe), strefa miejska (urban zone) i peryferie miejskie (urban periphery), oraz stworzono typy układów przestrzennych zabudowy. W celu ograniczenia dalszej ekspansji zabudowy na tereny rolnicze stworzono wytyczne związane z uwzględnieniem modelu funkcjonalno-przestrzennego, który można zastosować w Strategii rozwoju ponadlokalnego. Zaproponowano ustanowienie Lokalnego Obszaru Funkcjonalnego (LOF), bazującego na delimitacji strefy podmiejskiej. Podkreślono konieczność wprowadzenia policentrycznego układu osadniczego i zabudowy wielofunkcyjnej oraz obszarów stref koncentracji zabudowy i nieprzekraczalnego zasięgu zabudowy. Zaproponowano autorskie propozycje w zakresie działań naprawczych, obejmujące budowę relacji przestrzennych pomiędzy ośrodkami wielofunkcyjnymi a miastem centralnym, a także poszukiwanie możliwości lokalizacji korytarzy i ciągów ekologicznych w wymiarze strefy peri-urban.
Perspektywy i kierunki rozwoju budownictwa drogowego w Polsce na podstawie badań foresightowych
Piotr Radziszewski
Polska obecnie realizuje ambitny program przebudowy sieci drogowej, który zgodnie z wymaganiami Unii Europejskiej powinien uwzględniać wysoki poziom technologiczny budowy dróg z zachowaniem norm ochrony środowiska. W opracowaniu przedstawiono perspektywy i kierunki rozwoju konstrukcji oraz nowych rozwiązań materiałowo-technologicznych nawierzchni drogowych w aspekcie ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju. Zawarto między innymi unikalne wyniki badań forsightowych metodą Delphi, prowadzone w celu określenia priorytetowych technologii budowy nawierzchni drogowych w perspektywie około 30 lat. Pracę wykonał zespół autorski w składzie: Piotr Radziszewski, Jerzy Piłat, Karol J. Kowalski, Jan Król, Michał Sarnowski, Joanicjusz Nazarko, Katarzyna Dębkowska, Joanna Ejdys, Alicja Ewa Gudanowska, Katarzyna Halicka, Jarosław Kilon, Anna Kononiuk, Łukasz Nazarko
Pianobeton. Wytwarzanie, właściwości i zastosowanie
Marta Kadela
Celem monografii jest analiza możliwości zastosowania pianobetonu w budownictwie z uwzględnieniem aspektów wdrożenia pianobetonu do powszechnego zastosowania. Zagadnienie to omówiono w siedmiu rozdziałach monografii. Przeanalizowano m.in. walory zastosowania pianobetonu z uwzględnieniem wymagań zrównoważonego rozwoju; omówiono składniki mieszanki pianobetonowej oraz proces produkcji (piana wytwarzana ze składników naturalnych lub syntetycznych, zagadnienia dotyczące jej stabilności); przedstawiono także właściwości mieszanki pianobetonowej oraz właściwości materiałowe, mechaniczne i cieplne stwardniałego pianobetonu (skupiono się zwłaszcza na gęstości objętościowej pianobetonu). Przeprowadzona analiza pozwoliła na opracowanie autorskiej klasyfikacji pianobetonu z uwagi na gęstość objętościową i wytrzymałość na ściskanie. Wykazano, że największy wpływ na ograniczone stosowanie pianobetonu ma brak oceny materiału ze względu na jego trwałość. Dlatego podjęto próbę przeprowadzenia badań nad oceną trwałości pianobetonu. Przedstawiono sposoby degradacji pianobetonu, m.in. w celu oceny trwałości pianobetonu przeprowadzono unikalne badanie w komorze klimatycznej, w której próbki poddano starzeniowej metodzie badań krótkotrwałych, przyspieszonej z udziałem symulacji klimatycznej oraz sprawdzeniu odporności poszczególnych rodzajów pianobetonów na czynniki degradacyjne, głównie zamrażanie-rozmrażanie w obecności zawilgocenia. Wykazano, że na ocenę trwałości pianobetonu decydujący wpływ ma gęstość objętościowa oraz struktura matrycy cementowej pianobetonu, a zatem pośrednio skład mieszanki pianobetonowej. Wymieniono także przykłady zastosowania pianobetonu z podziałem na budownictwo drogowe, mostowe, infrastrukturalne oraz budownictwo wielkokubatorowe i mieszkalne. Przedstawiono także autorskie wytyczne wykonywania warstw z pianobetonu. Opracowana technologia wykonywania takich warstw ma zastosowanie przy wzmacnianiu słabego podłoża pod płytowymi konstrukcjami warstwowymi ułożonymi na podłożu gruntowym, czyli konstrukcji obejmujących: nawierzchnie drogowe (asfaltowe i betonowe), nawierzchnie miejsc obsługi pasażerów (MOP), nawierzchnie stacji benzynowych, parkingów oraz przemysłowe.
Jerzy Podoski
Pierwszy polski karabin autorstwa Jerzego Podoskiego (1900-1942) to artykuł opublikowany pierwotnie w czasopiśmie Broń i Barwa (1934, nr 2), poświęcony jednemu z najwcześniejszych przykładów polskiej broni palnej produkcji krajowej. Tekst zawiera zarówno kontekst historyczny, jak i szczegółowy opis parametrów technicznych karabinu, obejmujący m.in. długość całkowitą i lufy, wagę, środek równowagi, kaliber, liczbę gwintów, skok skrętu czy konstrukcję łoża i przyrządów celowniczych. Uzupełnieniem analizy jest rysunek broni, pozwalający lepiej zrozumieć jej budowę. Autor przedstawia tzw. sztuciec kozienicki jako broń skałkową, gwintowaną, wytwarzaną w latach 1790-1791 w fabryce w Kozienicach na potrzeby formujących się oddziałów strzelców. Podkreśla jego znaczenie jako pierwszego egzemplarza wojskowej broni palnej wykonanej dla wojska polskiego przez rodzimy przemysł, co czyni go cennym świadectwem rozwoju krajowej techniki zbrojeniowej u schyłku I Rzeczypospolitej. Analiza Podoskiego zwraca uwagę na walory użytkowe karabinu jego dobrą równowagę, składność oraz solidność wykonania, świadczące o wysokim poziomie kunsztu rusznikarskiego. Porównanie do karabinu Mauser wz. 98 podkreśla funkcjonalne podobieństwa w zakresie ergonomii i wyważenia. Pierwszy polski karabin to nie tylko studium techniczne, ale także ważny przyczynek do historii polskiego uzbrojenia oraz refleksji nad stanem przemysłu wojskowego i organizacji sił zbrojnych w ostatnich latach przed rozbiorami.
Plac jako zagadnienie urbanistyczne
Ewa Grochowska
W ciągu ostatnich lat, dążąc jak zawsze do polepszenia jakości codziennego życia w miastach, zaczęto poświęcać więcej uwagi problemowi placów miejskich. Można odnotować wiele konkursów i projektów dotyczących zarówno rehabilitacji istniejących placów miejskich, jak i tworzeniu nowych. Pojęcie „plac miejski” utraciło jednak w znacznym stopniu swoje pierwotne, tradycyjne znaczenie i nazwa „plac” obejmuje obecnie znacznie szersze spektrum semantyczne odnoszące się do najrozmaitszych przestrzeni otwartych. Autorka podjęła się trudnego zadania, jakim jest redefiniowanie współczesnego placu miejskiego, jego miejsca w dzisiejszym mieście, formy, funkcji, rangi i charakteru. Wskazanie warunków niezbędnych dla przetrwania takiej przestrzeni w mieście, pomimo zmian zachodzących w sferze polityki, stosunków społecznych, ekonomicznych, zmieniających się poglądów na temat kształtowania struktury przestrzennej miasta, czy też zmieniających się mód projektowych.
Laura Kochel
Książka Laury Kochel jest ważnym głosem w dyskusji nad przyszłością planowania krajobrazu miast. Wnikliwa, wieloaspektowa analiza dobrych praktyk na przykładzie systemu planowania i projektowania krajobrazu Berlina w kontekście walorów przyrodniczych, ale przede wszystkim wizerunku miasta może zainspirować podobne działania w Polsce. Autorka wykazała się dociekliwością i pasją w przeprowadzanych badaniach, co zaprocentowało klarownym i logicznym wywodem. dr hab. inż. arch. Irena Niedźwiecka-Filipiak, prof. Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu Laura Kochel podejmuje temat planowania krajobrazu jako kluczowego elementu zrównoważonej urbanizacji. Analizuje opracowania planistyczne dotyczące ochrony i kształtowania krajobrazu Berlina. (...) Praca jest niezwykle aktualna i potrzebna, dotyka zagadnień związanych z jakością życia w miastach. prof. dr hab. inż. arch. Agata Zachariasz, Politechnika Krakowska
Płyty izotropowe i anizotropowe. Zbiór zadań ze statyki
Stanisław Jemioło, Aleksander Łukasz Franus
Skrypt jest uzupełnieniem podręcznika: S. Jemioło, A. Szwed pt. „Płyty i membrany oraz skręcanie prętów pryzmatycznych”. Tematem opracowania jest zastosowanie teorii Kirchhoffa dotyczącej płyt izotropowych i ortotropowych. Omówiono w nim podstawowe sformułowania zagadnień brzegowych i metody ich rozwiązywania. W szczególności przedstawiono zastosowanie pojedynczych i podwójnych szeregów Fouriera oraz metod wariacyjnych. Zamieszczono liczne przykłady rozwiązań zadań z podaniem wyników w formie graficznej, z ich interpretacją i potencjalnymi zastosowaniami, m.in. w budownictwie. Zastosowano program do obliczeń symbolicznych i numerycznych Mathematica. Skrypt podzielony jest na dziesięć rozdziałów, ma też dodatek i spis literatury. Każdy rozdział oprócz typowych przykładów zawiera także po kilkadziesiąt zadań do samodzielnego rozwiązania o narastającym stopniu trudności. W dodatku zamieszczone są programy napisane w środowisku programu Mathematica, ilustrujące rozpatrywane zagadnienia. Notebooki programu Mathematica dotyczące przedstawionych zagadnień dostępne będą na stronie internetowej Biblioteki Głównej PW.