Сергей Сергеевич Зимин, канд. техн. наук, доцент инженерно-строительного института, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Политехническая ул., д. 29Б, г. Санкт-Петербург, 195251, Российская Федерация
e-mail: zimin_sergei@mail.ru
Sergey S. Zimin, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Institute of Civil Engineering, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg
Politekhnicheskaya str., 29B, St. Petersburg, 195251, Russian Federation
e-mail: zimin_sergei@mail.ru
Введение. Вплоть до настоящего времени расчет каменных сводов исторических зданий предусматривает подход, в котором своды рассматриваются как элементы, «собранные» из трех-, двух- и бесшарнирных арок, определение усилий в которых выполняется по общим правилам строительной механики. Однако возможности подобного подхода к анализу пространственно работающих конструкций (крестовые своды), выполненных из материала, отличающегося прочностной анизотропией (каменная кладка), крайне ограничены.
Цель. Установление закономерностей формирования параметров напряженно-деформированного состояния каменного крестового свода при восприятии им равномерно-распределенной нагрузки, а также влияния прочностной анизотропии каменной кладки на прочность свода.
Материалы и методы. Анализ напряженно-деформированного состояния каменного крестового свода выполнен в расчетном комплексе конечно-элементного моделирования высокого уровня в твердотельной пространственной гомогенной постановке. Выполнен анализ влияния прочностной анизотропии каменной кладки и неодноосности напряженного состояния в отдельных областях свода на его прочность.
Результаты. Установлено, что наиболее неблагоприятное напряженное состояние складывается в центральной области крестового свода снизу по осям распалубок, где формируется двухосное растяжение равной интенсивности, сопротивление которому характеризуется как крайне низкое. Установлено, что напряженно-деформированное состояние находится в зависимости от отношения стрелы подъема f к пролету свода L (f/L). Выявлено, что прочность каменного крестового свода зависит в том числе от ориентации усилий относительно растворных швов кладки; значимым оказывается неодноосность действия усилий в отдельных областях.
Выводы. Наибольшее значение на формирование напряженно-деформированного состояния каменного крестового свода, кроме его пролета и толщины, оказывает отношение стрелы подъема f к пролету свода L (f/L). Прочностной анализ крестовых сводов следует вести с учетом ориентации усилий относительно растворных швов кладки с учетом неодноосности действия усилий в отдельных областях.
Introduction. The calculation of stone vaults in historical buildings employs an approach in which vaults are treated as elements “assembled” from three-hinged, two-hinged, and hingeless arches, with the determination of forces being carried out according to general rules of structural mechanics. However, the capabilities of such an approach to analyze spatially working structures (cross vaults) made of materials exhibiting strength anisotropy (masonry) are extremely limited.
Aim. To establish the regularies in the formation of the stress-strain state parameters of a stone cross vault under uniformly distributed loads, as well as the influence of the strength anisotropy of masonry on the strength of the vault.
Materials and methods. The analysis of the stress-strain state of the stone cross vault was performed using a high-level finite element modeling software in a solid spatial homogeneous formulation. The study assessedthe impact of the strength anisotropy of masonry and the non-uniaxiality of the stress state in specific areas of the vault on its overall strength.
Results. The most unfavorable stress state was found to occur in the central area of the cross vault beneath the axes of the formwork, where biaxial tension of equal intensity is formed, characterized by extremely low resistance. The stress-strain state is dependent on the ratio of rise f to span L (f/L). The strength of the stone cross vault was revealed to depend, among other things, on the orientation of forces relative to mortar joints in the masonry; significant non-uniaxiality of forces is observed in specific areas.
Conclusions. The most significant factor affecting the formation of the stress-strain state in a stone cross vault, in addition to its span and thickness, is the ratio of rise f to span L (f/L). Strength analysis of cross vaults should consider the orientation of forces relative to mortar joints while accounting for the non-uniaxiality of forces in specific areas.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.