Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Mechanics, Materials and Structures (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Árva, Péter Gáspár, Orsolya Kachichian, Mansour Sipos, András Árpád
Starting date
2017-10-01
Closing date
2021-09-30
Funding (in million HUF)
12.299
FTE (full time equivalent)
5.75
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás során a falazatok anyagának és a falazatnak, mint tartószerkezetnek, mint húzószilárdság nélküli anyagnak/szerkezetnek a modellezési lehetőségeivel foglalkozunk. Kutatást folytatunk az anyagi és a szerkezeti viselkedés szintjén is. Elméleti módszert dolgozunk ki a falazat makro szilárdsági és alakváltozási jellemzőinek meghatározására. Ezeket az adatokat lehet pl. az iparban is használatos véges-elem szoftverek alkalmazásakor használni. A kutatás másik ága a falazott boltozatok viselkedésével foglalkozik. Egy nagyon egyszerű és jól ismert módszert, a nyomásvonal elmélet továbbfejlesztjük úgy, hogy lehetséges legyen a megrepedt boltozat vizsgálata is. A kidolgozásra kerülő módszer alkalmas lesz a berepedt boltozatok állékonyságának vizsgálatára is. A kidolgozásra kerülő módszerek hatékonyságát és korlátait nem-lineáris, törésmechanika alapú véges-elem módszer eredményeivel összehasonlítva állapítjuk meg. A fenti módszerek segítenek pl. új falazott szerkezetű épület földrengésre történő tervezésében, ami még a mérnöki gyakorlatban is bonyolultabb és komoly elméleti háttérrel rendelkező tervezési módszert igényel. Természetesen nem csak új, hanem történeti falazott szerkezetek vizsgálatára is alkalmazhatók lesznek a kidolgozott modellek. Megjegyezzük, hogy a falazott szerkezetek viselkedésének behatóbb ismerete segíti annak megértését is, hogy az építészeti stílusok fejlődését, változását hogyan befolyásolta a falazott szerkezetek használata.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A javasolt kutatási program alapkérdései: i) olyan megbízható homogenizációs modell kidolgozása, ami alkalmas a falazat, mint kompozit anyag szilárdsági és alakváltozási jellemzőinek meghatározására, és a kötési mód, habarcsolási technológia, falazóelem jellemzők hatásának tisztázására; ii) olyan analitikus, numerikus módszer kidolgozása a nyomásvonal/nyomásfelület ötletét felhasználva, amivel lehetséges a boltozatok teherbírásának meghatározása még berepedt állapotban is. iii) mennyire megbízhatóak a modellek, mik az alkalmazásuk korlátai? A kidolgozott modellek ellenőrzése véges-elem módszer segítségével történik. Az összehasonlítás másik célja a nyomás felület (amennyiben létezik) elmélet megbízhatóságának ellenőrzése és annak vizsgálata, hogy a falazat viselkedése, összefüggésben a használt kötési móddal, hogyan befolyásolja a nyomásfelületet.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A homogenizációs módszerrel végzett kutatás eredményeként megadhatók a falazat makro szilárdsági és alakváltozási jellemzői, figyelembe véve a falazóelem anizotrópiáját, a használt kötési módot és az állóhézagok habarcsolási módját is. A fenti makro jellemzők a mérnöki tervezési módszerek alapadatai. Ezeket az adatokat még manapság is laboratóriumi kísérletekkel határozzák meg, pedig sok, ily módon hiányzó, információ szükséges lenne a falazott szerkezetek pl. földrengésre történő méretezéséhez is. Ezek az adatok, eredmények lehetővé teszik a falazott szerkezetek megbízhatóbb és pontosabb méretezését. A nyomásvonal/felület ötlete alapján végzendő kutatás eredménye egy numerikus módszer, ami mind történeti, mind új falazott boltozatok vizsgálatára, tervezésére használható, azzal a szerkezet teherbírása és a keletkező repedések helye is meghatározható. A módszerrel a berepedt boltozatok állékonysága is vizsgálható. Így a szükségtelen megerősítések is elkerülhetők (régóta ismert ugyan, hogy bizonyos boltozatok berepedt állapotban is állékonyak, de nincs a gyakorlatban általánosan használt módszer az ellenőrzésükre). A fentiek szerint a kidolgozásra kerülő módszernek gazdasági előnye is lesz.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A falazott szerkezetű épületek és a falazatok mechanikai viselkedésének kutatása nagyon intenzív az utóbbi 15 – 20 évben. Ezt egyrészt a történeti épületek és az építészeti örökség védelmének társadalmi igénye, másrészt pedig a kutatók azon felismerése eredményezte, hogy nagy szakadék van az acél és vasbetonszerkezetekre vonatkozó ismeretek és a falazott szerkezetek viselkedésére vonatkozó ismeretek között. A kutatás célja a falazati anyag és a falazott szerkezetek, főként boltozatok, olyan mechanikai modelljeinek kidolgozása, amik a mindennapi tervezési gyakorlatban is használhatók. A módszerek használhatóak lesznek mind történeti, mind pedig új épületek esetében. A kidolgozásra kerülő modellek olyan kérdésekre adnak választ, mint: Állékony-e a berepedt boltozat? A boltozat repedését annak súlya vagy más hatás okozta? Milyen szerkezeti okokra vezethető vissza az építészeti stílusokban tapasztalható méret és boltozattípus változás?
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. While doing the research we are going to focus on the modeling of masonry material and masonry structure as a no tension material/structure. Research will be done on both material and structural level. We are going to develop a method to determine macro strength and deformational properties of masonry material. These data may be used in commercial finite element codes or in other common engineering design methods. The other direction of the research is focusing on the behavior of masonry vaults and domes. A very simple and well known method, the thrust line method, will be extended and developed to consider the possible cracking of the masonry. The method to be developed must be able to predict the safety of the vault even in its cracked state. The limitation and validation of the proposed methods will be checked by comparing them to the result of fracture mechanics based, non-linear finite element calculation. The results of the developed methods help to e.g. design new type of masonry buildings, considering the effect of earthquake which requires deeper knowledge and more sophisticated design techniques even on the engineering level. Obviously the methods may also be used to check the safety of historical buildings. It must also be remarked and emphasized that understanding mechanics of masonry structures also helps to understand how the application of the masonry as a building material is influenced and directed the development and change of the past architectural styles.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main goals of the proposed research program are: i) to develop a reliable homogenization method to determine both deformational and strength properties of the composite masonry material, and clarify the effect of bonding geometry, mortaring technology and properties of masonry units on the above mentioned properties; ii) to develop a numerical method using the idea of thrust line/surface which could predict the load-bearing capacity of the masonry vault or dome even in its cracked state. iii) to examine the reliability and application constraints of the developed models. Validation of the developed models by finite element method. The major goal of the comparison is to examine the effect of material behavior on the “thrust surface” if exists, i.e. to check how reliable the thrust surface method is.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The research on the application of the homogenization method results the macro strength and deformational properties for masonry elements considering the anisotropy of the masonry unit and the mortaring of the head joints. These are basic data for engineering design methods used in the practice. Even today these kinds of data are coming from laboratory experiments and therefore there is a lack of data needed for example when dealing with e.g. earthquake. So the result of this part of research makes it possible to perform more precise and reliable design of masonry structures. The research on the application of the idea of thrust line/surface results in a numerical method which may be used to examine existing or design new masonry vaults and domes predicting their load-bearing capacity and the location of the cracks caused by the given load. Having this method it helps to decide about the safety of masonry vaults and domes even when some cracks are developed. Some unnecessary strengthening intervention may be avoided knowing that the structure is safe even if it is cracked. (This is a well-known fact about masonry vaults, but there is no general agreement on the reliable examination method used in the practice). So the method will have economical advantage too.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The field of masonry structures and mechanics of masonry materials has received more and more attention in the last decades over the world. It is partly because there is a demand of the society to save historical masonry buildings and architectural heritages. Otherwise it was recognized by the research community that there is a large gap between the understanding level of steel and reinforced concrete structures compared to the understanding of mechanics of masonry materials and structures. The purpose of the research is to develop such mechanical models for masonry as a material and masonry structures, especially vaults and domes which could be applied even in the everyday engineering practice. These methods could be used for both historical and new masonry structures. The models to be developed will answer questions like: Is a vault or dome safe after it is cracked? Could the crack, experienced on a vault, be caused by the weight of it or it resulted from other effects? These models may also shed light on what could be the structural reason for changing size and vault configuration during the development of styles of architectural history.
Final report
Results in Hungarian
A kutatásnak két fő része van:
- a nyomásvonal és a nyomásfelület elmélet alkalmazása és vizsgálata falazott ívek és kupolák esetében,
- a falazat alakváltozási és szilárdsági jellemzőinek meghatározása homogenizációs módszerrel.
A kidolgozott nyomásvonal elmélet figyelembe veszi az elemek sztereotómiáját, mint geometriai feltételt, hasonlóan az elcsúszás lehetőségéhez. Félkör alakú íveket és csúcsíveket vizsgáltunk. Kimutattuk, hogy a minimális vastagságnak alsó felső korlátja is van. Kísérletekkel vizsgáltuk ilyen ívek viselkedését támaszmozgás hatására.
Gömbkupolák meridián irányú berepedésének a lehetőségét is vizsgáltuk. Megállapítottuk, hogy bár a szerkezet és a teher forgásszimmetrikus, a kialakuló repedésrendszer már nem az, azonban a berepedt kupola is lehet stabil egyensúlyi állapotban.
A homogenizációs módszerrel lehetséges a falazat makró alakváltozási jellemzőinek és szilárdságának egyszerű, de hatékony numerikus meghatározása. Egyszerű homogenizációs eljárást dolgoztunk ki kitöltött és kitöltetlen állóhézagú falazatokra. A falazóelemeken végzett kísérletekkel határoztuk meg a falazóelemnek a homogenizációs módszerhez szükséges alakváltozási jellemzőit és szilárdságát. A falazóelem nyomószilárdsági vizsgálatát használva, nem-lineáris végeselem módszerrel számítottuk a falazóelem tönkremeneteli felületét és a szükséges alakváltozási jellemzőket.
Results in English
The research program has two main parts:
- application and examination of the thrust line, thrust surface method for masonry arches and domes,
- homogenization method applied for the determination of failure and deformational characteristics of masonry elements.
The developed thrust line method considered variable stereotomy as a geometrical constraint together with the possibility of slip failure. Circular and pointed arches were examined and showed the lower and upper bounds of minimal arch thickness. Behavior of arches having such geometries were experimentally examined due to support movement.
Cracking possibility of the masonry domes were also analyzed. It was found that the meridional crack system is not rotationally symmetric although the starting state is symmetric. There is stable equilibrium in cracked state of the dome.
The homogenization method of masonry gives possibility to perform simple but effective simulation for masonry elements to determine its macro deformational properties and strength. An engineering type homogenization procedure was developed, for both head joint filled and not filled with mortar cases. Experiments on masonry units were performed to determine the deformational properties and strength needed to the homogenization method. Simple compressive strength experiment combined with nonlinear finite element method results the failure criterion of the masonry unit and the necessary deformational properties.
Gáspár O.-Sipos A. A.-Sajtos I.: Stereotomy related studies considering the effect of limited anglle of friction on minimum thickness values for semi-circular masonry arches, 8th International Conference on Buillding Resilience - ICBR Lisbon'2018, 14-16 November 2018 (elfogadva), 2018
Gáspár O. - Sipos A. Á. -Sajtos I.: The role of rotational collapse mode and catenary-type thrust lines in the limit state analysis of arches, eds.: L. Lázaro – K-U. Bletzinger – E. Onate: Form and force. Proceedings of the IASS Annual Symposium 2019–Structural Membranes 2019, 7-10 Oct., Barcelona. pp.1637-1644., 2019
Sajtos I. - Gáspár O. - Sipos A. Á.: Geometry of crack free masonry domes, eds.: L. Lázaro – K-U. Bletzinger – E. Onate: Form and force. Proceedings of the IASS Annual Symposium 2019–Structural Membranes 2019, 7-10 Oct., Barcelona. pp.1450-1457., 2019
Gáspár O. - Sipos A. Á. -Sajtos I.: Elliptikus boltívek minimális vastagságának alsó korlátja véges súrlódási együttható figyelembe vételével, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia. Az előadások összefoglalói. Miskolc-Egyetemváros, 2019. augusztus 27-29., 2019
Gáspár O.-Sipos A. A.-Sajtos I.: Stereotomy related studies considering the effect of limited anglle of friction on minimum thickness values for semi-circular masonry arches, Proceedings of the 8th International Conference on Buillding Resilience - ICBR Lisbon'2018, 14-16 November 2018., pp.1-11., 2018
O. Gáspár – I. Sajtos – A. Á. Sipos: Safe estimation of minimum thickness of circular masonry arches considering stereotomy and different rotational failure modes, 12th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, SAHC 2020., p.12 Accepted for publication and presentation, Conference is postponed to 2, 2021
I. Sajtos – O. Gáspár – A. Á. Sipos: General thrust surface of masonry domes, 12th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, SAHC 2020., p.12 Accepted for publication and presentation, Conference is postponed to 2, 2021
O. Gáspár – I. Sajtos – A. A. Sipos: Friction as a geometric constraint on stereotomy in the minimum thickness analysis of circular and elliptical masonry arches, International Journal of Solids and Structures, 2020., p.29, submitted for publication, 2020
O. Gáspár: The role of geometry in the structural behavior of masonry arches and domes, Ph.D thesis, Budapest University of Technology and Economics, submitted 2019., 2020
Gáspár Orsolya, Sajtos István, Sipos András: Safe estimation of minimum thickness of circular masonry arches considering stereotomy and different rotational failure modes, In: Proceedings of SAHC2020 12th International Conference on Structural Analysis of Historical Construction, (2021), 2021
Gaspar Orsolya, Sajtos Istvan, Sipos Andras A.: Friction as a geometric constraint on stereotomy in the minimum thickness analysis of circular and elliptical masonry arches, INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES 225: 111056, 2021
Hortobágyi Tamás, Roszevák Zsolt, Haris István, Sajtos István: Lyukacsos (anizotrop) téglaelem laboratóriumi és numerikus vizsgálata, In: XXV. Nemzetközi Építéstudományi Online Konferencia – ÉPKO, (2021) pp. 72-79., 2021
