Stability Analysis and Comparison of Conventional Concrete and Expanded Polystyrene Concrete Spherical Shells

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The main purpose of this study is to investigate the buckling behavior of a light weight expanded polystyrene concrete (EPSC) spherical shell and compare it to an equivalent concrete shell. Such behavior of EPSC is not yet studied and the material has not been implemented in shell structures. The methods adopted are numerical linear buckling analysis (LBA), material non-linear analysis (MNA) and Geometric and material non-linear analysis with imperfection (GMNIA) for both concrete and EPSC spherical shells of the same geometric parameters in ABAQUS software. From the results of the study, the elastic and plastic buckling capacities of EPSC shell and the buckling resistance obtained from GMNIA method are smaller than that of equivalent concrete shell. The maximum displacements of the EPSC shell corresponding to the GMNIA method, with the application of first eigen and actual loads are greater than the concrete shell by small millimeters. Buckling capacities of EPSC shell obtained from the three methods exceed the actual external uniform pressure (self-weight of EPSC and actual snow load), and the displacement results are reasonable enough to ensure that EPSC spherical shells are stable and could be practically applicable.

About the authors

Issaias A. Sereke

RUDN University; Eritrea Institute of Technology

Author for correspondence.
Email: 1042195035@rudn.ru
ORCID iD: 0009-0003-4351-8205

PhD Student of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering, RUDN University

Moscow, Russia; Asmara, Eritrea

Marina I. Rynkovskaya

RUDN University

Email: rynkovskaya-mi@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-2206-2563
SPIN-code: 9184-7432

Dr. of Structural Mechanics, Associate professor of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering, RUDN University

Moscow, Russia

Habte Y. Damir

RUDN University; Eritrea Institute of Technology

Email: khabte-y@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-7275-6750

PhD Student of the Department of Civil Engineering, Academy of Engineering, RUDN University; Lecturer, Eritrea Institute of Technology

Moscow, Russia; Asmara, Eritrea

References

  1. Zoelly R. Uber ein knickungsproblem anl der kugelschale (Dissertation). Zurich, 1915. https://doi.org/10.3929/ethza-000091951
  2. Wunderlich W., Albertin U. Analysis and load carrying behavior of imperfection sensitive shells. International Journal for Numerical methods in Engineering. 2000:47(1-3):255-273. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0207(20000110/30) 47:1/3<255::AID-NME770>3.0.CO;2-0
  3. Wunderlich W., Albertin U. Buckling behavior of imperfect spherical shells. International Journal of non-linear mechanics. 2002;37(4-5):589-604. https://doi.org/10.1016/S0020-7462(01)00086-5
  4. Ismail M.S., Mahmud J., Jailani A. Buckling of an imperfect spherical shell subjected to external pressure. Ocean Engineering. 2023;75(1):114118. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.114118
  5. Wagner H.N.R., Niewöhner G., Pototzky A., Hühne C. Show more on the imperfection sensitivity and design of torispherical shells under external pressure. International journal of pressure vessels and piping. 2021;191(2):104321. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104321
  6. Mohad S.I., Sayed M., Jamaluddin M. Buckling behavior of steel dome cap design under external pressure. International journal of pressure vessels and piping. 2024;208:105135. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2024.105135
  7. Koiter Wt. Over de stabiliteit van het elastisch evenwicht (PhD, thesis). Polytechnic institut Delft. 1945. English translation: on the stability of elastic equilibrium. NASA TTF-10, 833, 1967. Available from: https://apps.dtic.mil (accessed: 07.12.2023).
  8. Deml M., Wunderlich W. Direct evaluation of the worst imperfection shape in shell buckling. Computer. methods Applied. Mechanics and Engineering. 1997;149(1-4):201-222. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(97)00055-8
  9. Gagg C.R. Cement and concrete as an engineering material. An historic appraisal and case study analysis. Engineering failure analysis. 2014;40:114-140. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2014.02.004
  10. Habte Y.D., Rynkovskaya M., Issaias A.S. Comparative buckling analysis of concrete and expanded polystyrene dome shells. Architecture and Engineering. 2024;1(9):71-78. https://doi.org/10.23968/2500-0055-202-9-1-71-78
  11. Eisenbach P. Processing of slender concrete shells-fabrication and installation (Dissertation). Universität Kassel, 2017. https://doi.org/10.19211/KUP9783737602594
  12. Neville A.M. Properties of concrete. 5th edn. Prentice Hall; 2012. Available from: https://www.academia.edu (accessed: 07.12.2023).
  13. Maghfouri M., Alimohammadi V., Gupta R., Saberian M., Azarsa P., Hashemi M., Asadi I., Roychand R. Drying shrinkage properties of expanded polystyrene (EPS) lightweight aggregate concrete: A review. Case studies in construction materials. 2022;16(6):e00919. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e00919
  14. Borkar Y., Singi M. EPS based light-weight concrete design with enhancement of strength. International journal of civil and structural engineering research. 2019;7(2):44-54. Available from: www.researchpublish.com (accessed: 07.12.2023).
  15. Bedanta S., Mishra S., Rout A.K., Mohanty A., Parida A.P. Expanded polystyrene concrete. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology. 2022;10(5):1466-1470. https://doi.org/10.22214/ijraset.2022.42547
  16. Rosca B. Corobseanu V. Structural grade concrete containing expanded polystyrene beads with different particle distributions of normal weight aggregate. Materials Today proceedings. 2021;42:548-554. https://doi.org/10.1016/j.matpr. 2020.10.517
  17. Babu D.S., Ganesh B.K., Wee T.H. Properties of lightweight expanded polystyrene aggregate concretes containing flyash. Cement and concrete research. 2005;35(6):1218-1223. https://doi.org/10.1016/j.cemconres. 2004. 11. 015
  18. Liu N., Chen B. Experimental study of the influence of EPS particle size on the mechanical properties of EPS lightweight concrete. Construction and Building Materials. 2014;68:227-232. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.06.062
  19. Paul Z., Shuaib A., Michael L. High performance concretes. A state of art report. 1989. Available from: https:// rosap.ntl.bts.gov (accessed: 07.12.2023).
  20. Maghfouri M. et al. Appropriate drying shrinkage prediction models for lightweight concrete containing coarse agro-waste aggregate. Journal of building Engineering. 2020;29. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101148
  21. Sri Ravindrarajah R., Tuck A. Properties of hardened concrete containing treated expanded polystyrene beads. Cement and concrete. Composites. 1994;16(4):273-277. Available from: https://www.academia.edu (accessed: 07.12.2023).
  22. ACI Committee Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) Farmington Hills: American concrete institute; 2019. Available from: https://www.usb.ac.ir (accessed: 07.12.2023).
  23. Akter T., Ferdous W.M., Siddique A.B. Strength variation of concrete between cylindrical and cubical specimen due to various proportion of ingredients. Sonargaon university journal. 2017;2(2):56-64. Available from: https://su.edu.bd/public/research/14-10-2022_1665738989.pdf (accessed: 15.09.2023)
  24. Eurocode 3 Design of steel structures part 1-6, strength and stability of shell structures, European standard. 2007. Available from: https://www.phd.eng.br (accessed: 07.12.2023).
  25. Rotter J.M., Schmidt H. Buckling of steel shells. European design recommendations. 5th ed. European convention for constructional steelwork. Brussels, Belgium; 2008. Available from: https://store.steelconstruct.com (accessed: 07.12.2023).
  26. Blazekewski P. Development of a procedure for the determination of the buckling resistance of steel spherical shells according to EC 1993-1-6. Materials. 2022;15(1). https://doi.org/10.3390/ma15010025
  27. Kurejkova M., Wald F., Kabelac J., Sabatka L. Slender compressed plate in component based finite element model. IOP conference series. Materials science and Engineering Institute of Physics publishing. 2015. https://doi.org/10.1088/1757899X/96/1/012050
  28. Tomas A., Marti P., Tovar J.P. Imperfection sensitivity in in the buckling of single curvature concrete shells. Proceedings of the international association for shell and spatial structures (IASS) symposium. Valencia. 2009. p. 1713-1721. Available from: https://www.academia.edu (accessed: 10.12.2023).

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».