Influence of the concrete strength and the type of supports on the stress-strain state of a hyperbolic paraboloid shell footbridge structure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. This work is the first in a series of publications on the selection of a suitable analytical surface for implementation as a self-supporting structure for a thin shell footbridge. The study on the influence of concrete strength, live load position and support types on the stress-strain state of a hyperbolic paraboloid (hypar) shell is presented. Objective - to define the initial design parameters such as the appropriate concrete strength and the support type that generates the best structural behaviour to perform the subsequent structural design of a thin shell footbridge. Methods. The static finite element analysis was performed for 4 compressive strengths of concrete (28, 40, 80, 120 MPa) which correspond normal, high and ultra-high resistance concrete, 5 different live load arrangements and 3 different support conditions. Results. The shell model with pinned (two-hinged) supports shows the same vertical displacements as the model with fixed supports (hingeless). For the studied shell thickness, in terms of stress behaviour, the model with pinned ends is more efficient. The combination of two-hinged supports with 80 MPa concrete strength shows a better structural performance.

About the authors

David Cajamarca-Zuniga

Catholic University of Cuenca; Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: cajamarca.zuniga@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8796-4635

Associate Professor of the Department of Civil Engineering, Catholic University of Cuenca; PhD postgraduate student, Assistant Professor of the Department of Civil Engineering, Engineering Academy, Peoples’ Friendship University of Russia

Av. De las Americas & Humboldt, Cuenca, 010101, Republic of Ecuador; 6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Sebastian Luna

Catholic University of Cuenca

Email: selunav07@est.ucacue.edu.ec
ORCID iD: 0000-0003-2431-3960

Civil Engineer, master student of the Department of Civil Engineering

Av. De las Americas & Humboldt, Cuenca, 010101, Republic of Ecuador

References

  1. Bradshaw R., Campbell D., Gargari M., Mirrniran A., Tripeny P. Special structures: past, present, and future. J. Struct. Eng. 2002;128(6):691-709. http://dx.doi.org/10.1061/(asce)0733-9445(2002)128:6(691)
  2. Ramm E., Mehlhorn G. On shape finding methods and ultimate load analyses of reinforced concrete shells. Eng. Struct. 1991;13(2):178-198. http://dx.doi.org/10.1016/0141-0296(91)90050-M
  3. Aleshina O., Cajamarca D., Barbecho J. Numerical comparative analysis of a thin-shell spatial structure for the Candela’s Cosmic Rays Pavilion. Adv. Astronaut. Sci. 2021;174:741-752.
  4. Pérez-Peraza J. Reminiscences of cosmic ray research in Mexico. Adv. Sp. Res. 2009;44(10):1215-1220. http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2008.11.031
  5. Minor A. Up-and-down journeys: the making of Latin America’s uniqueness for the study of cosmic rays. Centaurus. 2020;1-23. http://dx.doi.org/10.1111/1600-0498.12335
  6. Mendoza M. Felix Candela’s first European Project: The John Lewis Warehouse, Stevenage New Town. Archit. Res. Q. 2015;19(2):149-60. http://dx.doi.org/10.1017/S1359135515000251
  7. Krivoshapko S.N., Hyeng C.A.B., Mamieva I.A. Chronology of erection of the earliest reinforced concrete shells. Int. J. Recent Res. Appl. Stud. 2014;18(2):95-108.
  8. Krivoshapko S.N., Mamieva I.A. Analytical surfaces in the architecture of buildings, structures and components. Moscow: LIBROKOM Publ.; 2011. (In Russ.)
  9. Kourkoutas V. Parametric form finding in contemporary architecture Vassilis Kourkoutas. Vienna: Technische Universität Wien; 2007.
  10. Krivoshapko S.N., Ivanov V.N. Encyclopedia of analytical surfaces Switzerland: Springer International Publishing AG; 2015. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-11773-7
  11. Farshad M. Design of hyperbolic paraboloid shells. In: Design and Analysis of Shell Structures. Switzerland: Springer-Science+Business Media, B.V.; 1992. p. 215-247.
  12. Oliva Quecedo J., Antolin Sanchez P., Cámara Casado A., Goicolea Ruigómez J.M. Finite element model analysis of works authored by Felix Candela. Hormigón y Acero. 2011;(1):61-76.
  13. Rippmann M. Funicular shell design geometric approaches to form finding and fabrication of discrete funicular structures. PhD Thesis. Zurich; 2016.
  14. Bischoff M., Ramm E., Irslinger J. Models and finite elements for thin-walled structures. In: Encyclopedia of Computational Mechanics Second Edition. John Wiley & Sons, Ltd.; 2017. http://dx.doi.org/10.1002/9781119176817.ecm2026
  15. Marmo F., Demartino C., Candela G., Sulpizio C., Briseghella B., Spagnuolo R., et al. On the form of the Musmeci’s bridge over the Basento river. Eng. Struct. 2019;191(May):658-73. http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.04.069
  16. Fenu L., Congiu E., Lavorato D., Briseghella B., Marano G.C. Curved footbridges supported by a shell obtained through thrust network analysis. J. Traffic Transp. Eng. (English Ed.) 2019;6(1):65-75. http://dx.doi.org/10.1016/j.jtte.2018.10.007
  17. Fenu L., Congiu E., Marano G.C., Briseghella B. Shell-supported footbridges. Curved Layer Struct. 2020;7(2): 199-214. http://dx.doi.org/10.1515/cls-2020-0017
  18. Peiretti H.C., Martín J.R., Delgado J.S., Matadero and invernadero shell footbridges over the Manzanero River in Madrid. Rev. Obras. Publicas. 2011;158(3520):39-50.
  19. McIntyre J. Outokumpu: building bridges to span over distance and time. Stainless Steel World. 2019;(137):2-3.
  20. Zeas Guzman K. Los puentes del Centro Histórico de Cuenca. Universidad de Cuenca; 2013.
  21. Saltik E., Alacam S. Experiments for design and optimization of thin shell structures. ATI 2020: “Smart Buildings, Smart Cities” Proceedings. Izmir: Yaşar University; 2020. p. 76-90.
  22. American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. 8th ed. Washington D.C.; 2017 p. 1881.
  23. ACI 363R-92. State-of-the-art report on high-strength concrete (vol. 92). ACI Committee 363. American Concrete Institute; 1992.
  24. Razvi S.R., Saatcioglu M. Strength and deformability of confined high-strength concrete columns. ACI Struct. J. 1994;91(6):678-696.
  25. Sheikh S.A., Shah D.V., Khoury S.S. Confinement of high-strength concrete columns. ACI Struct. J. 1994;91(1):100-111.
  26. Maten R.N. ter Ultra high performance concrete in large span shell structures. Delft: Delft University of Technology; 2011.
  27. Perry V., Zakariasen D. First use of ultra-high performance concrete for an innovative train station canopy. Concrete Technology Today - Portland Cement Association. 2004;25(2):1-7.
  28. Walraven J.C. Designing with ultra high strength concrete: basics, potential and perspectives. In: Schmidt M., Fehling E., Geisenhansluke C. (eds.) Proceedings of the International Symposium on Ultra-High Performance Concrete. Kassel: Die Deutsche Bibliothek; 2004. p. 853-864.
  29. Ramesh M.N., Teichmann T. Ultra high performance concrete: sustainable and cost effective. B2B Purchase. Mumbai; 2016. Available from https://b2bpurchase.com/ultra-high-performance-concrete-sustainable-and-cost-effective/ (accessed: 02.04.2021).
  30. Azmee N.M., Shafiq N. Ultra-high performance concrete: from fundamental to applications. Case Stud. Constr. Mater. 2018;9:e00197. http://dx.doi.org/10.1016/j.cscm.2018.e00197
  31. Sarmiento P.A., Torres B., Ruiz D.M., Alvarado Y.A., Gasch I., Machuca A.F. Cyclic behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete beam-column joint. Struct. Concrete. 2019;20:348-360. http://dx.doi.org/10.1002/suco.201800025
  32. Shafieifar M., Farzad M., Azizinamini A. Experimental and numerical study on mechanical properties of ultra high performance concrete (UHPC). Constr. Build. Mater. 2017;156:402-411. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.08.170
  33. Dingqiang F., Wenjing T., Dandian F., Jiahao C., Rui Y., Kaiquan Z. Development and applications of ultra-high performance concrete in bridge engineering. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2018;189:22038. http://dx.doi.org/10.1088/1755-1315/189/2/022038
  34. Bahr O., Schaumann P., Bollen B., Bracke J. Young’s modulus and Poisson’s ratio of concrete at high temperatures: experimental investigations. Mater. Des. 2013;45:421-429. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2012.07.070
  35. Mostofinejad D., Nozhati M D. Prediction of the modulus of elasticity of high strength concrete. Iranian Journal of Science and Technology Transaction B: Engineering. 2005;29(B3):311-321.
  36. Chen H.J., Yu Y.L., Tang C.W. Mechanical properties of ultra-high performance concrete before and after exposure to high temperatures. Materials (Basel). 2020;13(3):1-17. http://dx.doi.org/10.3390/ma13030770
  37. Ohmori H., Yamamoto K. Shape optimization of shell and spatial structure for specified stress distribution. Mem. Sch. Eng. Nagoya Univ. Japan. 1998;50(1):1-32.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».