Search

Detailed modelling of masonry arch bridges and viaducts presents unique computational challenges. Not only do such structures exhibit complex nonlinear behaviour, but they are also difficult to describe within a consistent computational framework for high-fidelity simulations, due to the range of interactive components with varying geometric characteristics. This paper presents a novel parametric model design tool for the generation of detailed 3D FE meshes of realistic masonry arch bridges and viaducts. This tool has been developed according to a modular description as an add-on component within the Rhino – Grasshopper environment. It allows for modular complex bridge assemblages with independent definition of the key viaduct parts, including arch barrels, spandrel walls, piers as well as multi-layered fill. Moreover, new parts can be seamlessly introduced into the framework due to its modular nature. Notably, as all components are geometrically addressable, it is possible to further enhance the model generation tool by adding non-standard routines to create more complex geometry than that allowed by the current parametric definition. Importantly, the developed strategy enables variable fidelity model generation, where different segments of an analysed viaduct can be represented by meso‑ and/or macro-scale masonry descriptions at different levels of detail. This approach further enables the consideration of initial damage in the brick/blockwork, which is a very common feature of many existing masonry bridges and viaducts.

The paper presents an effective macro-modelling approach, utilising an anisotropic material model with embedded discontinuities, for masonry arches and bridges under cyclic loading, including dynamic actions induced by earthquakes. Realistic numerical simulations of masonry arch bridges under static and dynamic loading require accurate models representing the anionotropic nature of masonry and material nonlinearity due to opening and closure of tensile cracks and shear sliding along mortar joints. The proposed 3D modelling approach allows for masonry bond via simple calibration, and enables the representation of tensile cracking, crushing and shear damage in the brickwork. A two-scale representation is adopted, where 3D continuum elements at the structural scale are linked to embedded nonlinear interfaces representing the meso-structure of the material. The potential and accuracy of the proposed approach are shown in numerical examples and comparisons against physical experiments on masonry arches and bridges under static and dynamic loading.

Цель. Существующие алгоритмы обработки результатов топологической рационализации несовершенны: могут эффективно обработать результаты только в случае простой геометрии и при одинаковом размере конечных элементов, занимают очень много времени при формировании необходимых матриц и неэффективно оперируют над большими объемами данных. Необходим поиск новых, более совершенных методов обработки результатов топологической рационализации. Методика. Предложенный алгоритм обработки результатов топологической рационализации базируется на векторизации координат центров элементов и на последовательном переносе базиса системы координат от одного центра элемента к следующему. Для реализации предложенной идеи был разработан программный код в системе MATLAB. Результаты. Указанный алгоритм был испытан на тестовых задачах разного размера и сложности геометрии. Полученные результаты подтверждают эффективность разработанного метода. Получено ускорение расчета в 2-6 раз в зависимости от размера решаемой задачи. Установлено, что с увеличением размера задачи повышается эффективность метода. Также подтверждено предположение о возможности значительного ускорения расчета топологической рационализации за счет уменьшения затрат времени на расчет конечно элементной модели с помощью итеративных методов решения систем линейных уравнений и с помощью технологий сбережения памяти. Научная новизна. Совершенствование системы обработки результатов топологической рационализации путем применения векторизации данных и преалокации памяти. Практическая значимость. Использование предложенного метода может ускорить внедрение методов топологической рационализации в повседневное проектирование., Мета. Існуючі алгоритми обробки результатів топологічної раціоналізації недосконалі: можуть ефективно обробити результати лише у випадку простої геометрії та при однаковому розмірі скінченних елементів, займають дуже багато часу при формуванні необхідних матриць та неефективно оперують над великими обсягами даних. Потрібен пошук нових, більш досконалих методів обробки результатів топологічної раціоналізації. Методика. Запропонований алгоритм обробки результатів топологічної раціоналізації базується на векторизації координат центрів елементів та на послідовному переносі базису системи координат до від одного центра елементу до іншого. Для реалізації запропонованої ідеї був розроблений програмний код у системі MATLAB. Результати. Зазначений алгоритм був випробуваний на тестових задачах різного розміру та складності геометрії. Отримані результати підтверджують ефективність розробленого алгоритму.Здобуто пришвидшення розрахунку у 2-6 разів в залежності від розміру задачі, що вирішується. Встановлено що зі збільшенням розміру задачі підвищується ефективність методу. Також підтверджене припущення про можливість значного прискорення розрахунку топологічної раціоналізації за рахунок зменшення затрат часу на розрахунок скінченно елементної моделі за допомогою ітеративних методів рішення систем лінійних рівнянь та за допомогою технологій збереження пам’яті. Наукова новизна. Удосконалення системи обробки результатів топологічної раціоналізації шляхом застосування векторизації даних та преалокації пам’яті. Практична значимість. Використання запропонованого методу може дозволити прискорити впровадження методів топологічної раціоналізації в повсякденне проектування., Existing algorithms for processing the results of topological rationalization are imperfect. They can effectively treat the results only in the case of simple geometry, and for the evenly sized finite elements. They take a lot of time during the formation of the necessary matrices and inefficiently operate on large volumes of data. That is why the need to search for new and improved methods of processing the results of topological rationalization arises. Methodology. The proposed algorithm for processing the results of topological rationalization is based on the vectoring of coordinates of the centers elements and then on subsequent transfer of the basis of the coordinate system from one center of the element to another. To implement this idea, the program code in the MATLAB was developed. Results. This algorithm has been tested on the test problems of different size and of different geometrical complexity. The results confirm the effectiveness of the discussed method. A time saving on matrix formulation is observed to vary between factors of 2 and 6 depending on the size of the problem being solved. It is also found that along the increase of size of the problem the efficiency of the method also increases. Also the assumption about the possibility of a significant acceleration of the calculation of the topological rationalization has been confirmed. This was achieved by reducing the time spent on solution of finite element model through the implementation of iterative methods for solving systems of linear equations and usage of memory savings technology. Scientific novelty. Improvement in processing of the results of topological rationalization by applying data vectoring and memory preallocation. The practical significance. Usage of the proposed method can help to accelerate the introduction of topological methods for rationalization in everyday civil engineering design practice.

Summary. The article presents the results of the evaluation of different framework design solutions of superstructure floors of low-rise residential buildings. Purpose. Assessment of the effectiveness of pipe-concrete application for increase the number of storeys of low-rise residential buildings on the basis of the analysis of structural variants of resource consumption for variants of structural solutions of superstructure floors. Methods. A method of framework superstructure for additional floors of the reconstructed low-rise residential building without relocation of occupants has been proposed. The method consists in the organization of metal portal frames built along the walls of the existing building on the independent foundations, on which rest the girders, beams, ties and other structures taking the stresses of the superstructure. Results. Framework design solution for floors superstructure of low-rise residential building has been developed. The variants of framework with reinforced concrete, metal frame and framework of the pipe-concrete elements were analyzed. Based on the analysis of the stress-strain state of structural elements of framework, a comparative analysis of the consumption of materials for its construction was made. Scientific novelty. On the basis of the research it was found that the pipe-concrete structures meet the requirements of a rational joint work of steel and concrete. Practical value. The possibility of increasing the number of storeys of low-rise residential buildings with their reconstruction without the relocation of occupants., Аннотация. Представлены результаты оценки вариантов конструктивного решения каркаса надстройки этажей малоэтажного жилого здания. Цель работы. Оценка эффективности применения трубобетона для увеличения этажности малоэтажных жилых зданий на основе анализа ресурсоёмкости вариантов конструктивных решений каркаса надстройки этажей. Методика. Предложен метод надстройки каркаса дополнительных этажей реконструируемого малоэтажного жилого здания без отселения жильцов. Суть метода заключается в устройстве вдоль стен существующего здания на самостоятельных фундаментах металлических портальных рам каркаса, на которые опираются фермы, ригели, связи и другие конструкции, воспринимающие нагрузки от возводимой надстройки. Результаты. Разработано конструктивное решение каркаса надстройки этажей малоэтажного жилого здания. Рассмотрены варианты каркаса с применением монолитного железобетона, металлического каркаса и каркаса из трубобетонных элементов. На основе анализа напряженно-деформированного состояния элементов конструкций каркаса выполнен подбор сечений и сравнительный анализ расхода материалов на его возведение. Научная новизна. На основе выполненных исследований установлено, что трубобетонные конструкции отвечают требованиям рациональной совместной работы стали и бетона. Практическая значимость. Возможность увеличения этажности малоэтажных жилых зданий при их реконструкции без отселения жильцов., Анотація. Наведено результати оцінювання варіантів конструктивного рішення каркаса надбудови поверхів малоповерхового житлового будинку. Мета роботи. Оцінювання ефективності застосування трубобетону для збільшення поверховості малоповерхових житлових будинків на основі аналізу ресурсоємності варіантів конструктивних рішень каркаса надбудови поверхів. Методика. Запропоновано метод надбудови каркаса додаткових поверхів малоповерхового житлового будинку, що реконструюється без відселення мешканців. Суть методу полягає в улаштуванні уздовж стін існуючої будівлі на самостійних фундаментах металевих портальних рам каркаса, на які спираються ферми, ригелі, в'язі та інші конструкції, що приймають навантаження від конструкції надбудови. Результати. Розроблено конструктивне рішення каркаса надбудови поверхів малоповерхового житлового будинку. Розглянуто варіанти каркаса із застосуванням монолітного залізобетону, металевого каркаса і каркаса з трубобетонних елементів. На основі аналізу напружено-деформованого стану елементів конструкцій каркаса виконано підбір перерізів і порівняльний аналіз витрат матеріалів на його зведення. Наукова новизна. На основі виконаних досліджень установлено, що трубобетонні конструкції відповідають вимогам раціональної спільної роботи сталі і бетону. Практична значимість. Можливість збільшення поверховості малоповерхових житлових будинків у разі їх реконструкції без відселення мешканців.

This paper tackles with the problem of analysis of the design parameters of the mobile service tower, that is being devised by Pridneprovs’k State Academy of Civil Engineering and Architecture in collaboration with the «M. K. Yangelya state enterprise «Design Bureau «South»». The main goal of this study was to find such design parameters which will minimize the weight of the mobile service tower, and also have sufficient reliability for continuation of operation after the case of a hurricane impact. This problem was solved by us with the help of the finite element analysis. 36 spatial analytical models were created in the software "Lira-SAPR 2013". In these models part of the possible combinations of design parameters that defined the scheme of support for mobile service tower was reflected. Special attention was paid to the analysis of combinations that included hurricane impact with wind speed of 50 m/s. As a result of structural analysis of spatial frame concepts of mobile service tower we obtained significant amount of data that was subsequently evaluated and organized. Results show that supports type can significantly influence performance of the structure. Evaluation and assessment of all the presented options was made. Explanation of the final structural concept choice was presented. It was also proven that extreme wind conditions can pose significant threats to structures that are not significantly restrained by the foundation. Results that are provided prove the initial hypothesis that to withstand hurricane wind loads without additional restraints structure prime dimensions has to be increased., Стаття спрямована на вирішення проблеми аналізу проектних параметрів мобільної вежі обслуговування, що в даний час розробляється Придніпровською державною академією будівництва та архітектури у співпраці з державним підприємством «Конструкторське бюро «Південь» ім. М. К. Янгеля». Основною метою даного дослідження було знайти такі параметри конструкції мобільної вежі обслуговування, які допоможуть знизити її вагу, а також матимуть достатню надійність для продовження роботи після впливу урагану. Ця проблема була вирішена нами за допомогою скінченно-елементного аналізу. Нами були створені 36 просторових аналітичних моделей в програмному забезпеченні "Ліра-САПР 2013". У цих моделях була відображена частина можливих комбінацій параметрів конструкції. Особливу увагу було приділено аналізу комбінацій, які включали вплив урагану зі швидкістю вітру 50 м/с. В результаті аналізу просторових концепцій мобільного вежі обслуговування ми отримали значну кількість даних, які потім були зважені та проаналізовані.Результати показують, що тип системи опирання може значно впливати на ефективність споруди. Був зроблений аналіз і оцінка всіх представлених варіантів. Було представлено пояснення кінцевого вибору концепції споруди. Було такождоведено, що екстремальні умови вітру можуть становити серйозну загрозу для конструкції, які не закріплені до фундаменту. Результати, які надаються доводять первісну гіпотезу, що витримувати навантаження від ураганного вітру без додаткових конструктивних заходів конструкція повинна бути збільшена., Статья направлена на решение проблемы анализа проектных параметров мобильной башни обслуживания, которая в настоящее время разрабатывается Приднепровской государственной академией строительства и архитектуры совместно с государственным предприятием «Конструкторское бюро «Южное» им. М. К. Янгеля». Основной целью данного исследования было найти такие параметры конструкции мобильной башни обслуживания, которые помогут снизить ее вес, а также иметь достаточную надежность для продолжения работы после воздействия урагана. Эта проблема была решена нами при помощи конечно-элементного анализа. Нами были созданы 36 пространственных аналитических моделей в программном обеспечении "Лира-САПР 2013". В этих моделях была отражена часть возможных комбинаций параметров конструкции. Особое внимание было уделено анализу комбинаций, включающих влияние урагана со скоростью ветра 50 м/с. В результате анализа пространственных концепций мобильного башни обслуживания мы получили значительное количество данных, которые затем были структурированы и проанализированы. Результаты показывают, что тип системы опирания может значительно влиять на эффективность сооружения. Был сделан анализ и оценка всех представленных вариантов. Было представлено объяснение конечного выбора концепции сооружения. Было также доказано, что экстремальные условия ветра могут представлять серьезную угрозу для конструкций, не закрепленных к фундаменту. Результаты, которые предоставляются, доводят первоначальную гипотезу, что для того чтобы выдерживать нагрузки от ураганного ветра без дополнительных конструктивных мер, конструкция должна быть увеличена.