Determination of Optimal Cylindrical Shells in the Form of Second-Order Surfaces


Citar

Texto integral

Resumo

Thin shells with cylindrical and conical middle surfaces are most popular. Many shell-type structures have been built in the form of rotational and translational surfaces, for which there are several dozen optimality criteria. Hyperbolic, parabolic, elliptic, and circular cylindrical roofs with rectangular base are considered, for which, as evidenced by thorough literature review, there is no comparative analysis of strength, stability, and dynamics. Nevertheless, architects are already trying to expand the classification range of ruled middle surfaces of zero Gaussian curvature with a rectangular base by including torse surfaces. Five thin cylindrical shells outlined by second-order algebraic surfaces with different generating plane curves are studied. The stress-strain state of hyperbolic, parabolic, elliptic and circular cylindrical roofs with rectangular base subjected to static load of self-weight type is investigated. The roofs have the same dimensions of the base, the same height, thickness and structural material, that is, a comparative calculation is performed. It is established that the smallest (maximum) membrane stresses occur in the ellipsoidal shell with an incomplete half-ellipse, and the smallest (maximum) bending and equivalent stresses occur in the parabolic cylindrical shell, which is confirmed by the results of previously performed calculations using the analytical momentless theory. Therefore, it is recommended to use ellipsoidal cylindrical shells with an incomplete half-ellipse in cross-section for building structures. Currently, almost all problems of structural mechanics of shells are solved by numerical methods, therefore, the displacement-based finite element method was chosen to solve this problem.

Sobre autores

Vyacheslav Ivanov

RUDN University

Email: i.v.ivn@mail.ru
ORCID ID: 0000-0003-4023-156X
Código SPIN: 3110-9909

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction Technology and Structural Materials, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Olga Aleshina

RUDN University

Autor responsável pela correspondência
Email: xiaofeng@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0001-8832-6790
Código SPIN: 8550-4986

Candidate of Technical Sciences, Assistant of the Department of Construction Technology and Structural Materials, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Evgeny Larionov

RUDN University

Email: evgenylarionov39@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-4906-5919

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction Technology and Structural Materials, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Bibliografia

  1. Vekariya M.S., Makwana E.A.H. A Review on Thin-shell Structures: Advances and Trends. International Journal of Research Publication and Reviews. 2021;2(12):1593-1608. ISSN 2582-7421
  2. Martínez M.M., Valiente E.E. Las Bóvedas Cilíndricas y Su Evolución Hasta Las Cáscaras Cilíndricas Largas De Cubierta De Félix Candela. Análisis Geométrico y Mecanico. EGA Revista de expresión gráfica arquitectónica. 2017; 22(30):160. https://doi.org/10.4995/EGA.2017.7846
  3. Peseke H., Grohmann M., Bollinger K. The Grossmarkthalle (wholesale market hall) in Frankfurt/Main. An early reinforced concrete shell structure. Proceedings of the IASS Symposium 2009, Valencia, 28 September - 2 October 2009, Universidad Politecnica de Valencia, Spain, 2010.
  4. Martínez M., Valiente E., Gonzalez-Fierro G., Kevin M.G. The preservation of the architectural heritage of the twentieth century: the laminar structures of reinforced concrete. Conference: XVI International Forum. World heritage and knowledge. Capri, Italia, 2018.
  5. Pedreschi R., Theodossopoulos D. The double-curvature masonry vaults of Eladio Dieste. Proceedings of The Institution of Civil Engineers-structures and Buildings. 2007;160(1):3-11. https://doi.org/10.1680/stbu.2007.160.1.3
  6. Florio Wilson (2019). Investigations on the Design Process of Eladio Dieste: 3D Parametric Modelling of Modern Latin American Architectural Heritage. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2019;XLII-2/W15:775-782. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W15-775-2019
  7. Galindo-Díaz J. Cylindrical shells in Colombian architecture in the 20th century. Revista de Arquitectura. 2018; 20(2):36-50. http://doi.org/10.14718/RevArq.2018.20.2.2057
  8. Martínez M. Application of the beam method to structural calculation of the long cylindrical concrete shells in the work of Felix Candela. Revista de la construcción. 2019;18:145-155. http://doi.org/10.7764/RDLC.18.1.134
  9. Ganendra B., Prabowo A., Muttaqie T., Adiputra R., Ridwan R., Fajri A., Thang Do Q., Carvalho H., Baek S. Thinwalled cylindrical shells in engineering designs and critical infrastructures: A systematic review based on the loading response. Curved and Layered Structures. 2023;10(1):20220202. https://doi.org/10.1515/cls-2022-0202 EDN: XYJUCO
  10. Bakusov P.A., Semenov A.A. Analysis of the stability of the computational algorithm to a change in the geometric parameters of cylindrical shell structures. PNRPU mechanics bulletin. 2021;(1):12-21. (In Russ.) https://doi.org/10.15593/ perm.mech/2021.1.02 EDN: ZIPFYC
  11. Soldatos K.P. Review of three dimensional analysis of circular cylinders and cylindrical shells. Applied Mechanics Reviews. 1994;47(10):501-516. https://doi.org/10.1115/1.3111064 EDN: XROROQ
  12. Pasternak H., Li Z., Juozapaitis A., Daniunas A. Ring stiffened cylindrical shell structures: State-of-the-art review. Applied Sciences. 2022;12:11665. https://doi.org/ 10.3390/app122211665 EDN: CBGDOZ
  13. Li Y., Wang W., Chen Z. An Innovative failure criterion for metal cylindrical shells under explosive loads. Materials. 2022;15:4376. https://doi.org/10.3390/ma15134376 EDN: FVSLVE
  14. Al-Yacouby A.M., Hao L.J., Liew M.S., Ratnayake R.M.C., Samarakoon S.M.K. Thin-walled cylindrical shell storage tank under blast impacts: Finite element analysis. Materials. 2021;14:7100. https://doi.org/10.3390/ma14227100 EDN: DBXXOD
  15. Khoa N.D., Thiem H.T., Duc N.D. Nonlinear buckling and postbuckling of imperfect piezoelectric S-FGM circular cylindrical shells with metal-ceramic-metal layers in thermal environment using Reddy’s third-order shear deformation shell theory. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2019;26(3):248-259. https://doi.org/10.1080/15376494.2017.1341583
  16. Eslami G., Kabir M.Z. Multi-objective optimization of orthogonally stiffened cylindrical shells using optimality criteria method. Scientia Iranica. 2015;22(3):717-727.
  17. Mohammad M., Seyed D. Effects of material properties and dimensions on buckling behavior of thin-walled cylindrical shell under hydrostatic pressure and axial force using an Abaqus developed plugin. 2024. https://doi.org/10.21203/ rs.3.rs-4920346/v1
  18. Wang P., Niu Q., Liu M., Li Z., Cao X., Zhang H. Numerical analysis on natural vibration of cylindrical shell with different cross-section. MATEC Web of Conferences. 2023;380:01015. https://doi.org/10.1051/matecconf/202338001015 EDN: DAQCOH
  19. Karpilovsky V.S., Kriksunov E.Z., Malyarenko A.A., Mikitarenko M.A., Perelmuter A.V., Perelmuter M.A. The SCAD computing complex. Moscow: SCAD SOFT Publ.; 2021. (In Russ.) ISBN 978-5-903683-07-9
  20. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. Vol. 1. The basis. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2000. ISBN 0-7506-5049-4
  21. Novozhilov V.V., Chernykh K.F., Mikhailovsky E.I. Linear theory of thin shells. Leningrad: Politechnika Publ.; 1991. (In Russ.) ISBN 5-7325-0127-4

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

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».