Details

В работе рассматривается цилиндрический каменный свод с вертикальной трещиной, расположенной в замковой зоне. Анализируется влияние глубины трещины и её положения на напряжённо-деформированное состояние конструкции, а также на изменение остаточной несущей способности свода. Исследование выполняется с использованием двух подходов. Первый основан на аналитическом расчёте методом снижения эффективного сечения. Второй подход включает конечно-элементное моделирование в программном комплексе ANSYS с применением технологии Pre-Meshed Crack. Полученные результаты сопоставляются между собой и сравниваются с традиционными расчётными схемами, применяемыми в действующих нормативных документах. Задачи исследования 1. Выполнить анализ конструктивной работы каменных сводов и стен, а также рассмотреть применяемые методы их расчёта. 2. Исследовать основные причины появления трещин в каменной кладке и рассмотреть особенности их дальнейшего развития под действием нагрузок и эксплуатационных факторов. 3. Оценить влияние трещин различной глубины и расположения на напряжённо-деформированное состояние каменных сводов и стен. 4. Выполнить оценку изменения несущей способности каменных конструкций при наличии трещин с использованием аналитических методов расчёта.. 5. Провести численное моделирование каменных сводов с повреждениями в программном комплексе ANSYS. 6. Сопоставить результаты аналитических расчётов и конечно-элементного моделирования, а также определить влияние размеров и расположения трещин на работу конструкции. 7. Подготовить рекомендации по инженерной оценке состояния повреждённых каменных конструкций при обследовании зданий и сооружений. Анализ научных публикаций показал, что вопрос оценки влияния трещин на несущую способность каменной кладки остаётся актуальным. Это связано с большим количеством эксплуатируемых зданий, имеющих повреждения. По результатам различных исследований, трещины разного типа обнаруживаются примерно у 80–90 % каменных сооружений. От точности определения остаточной несущей способности зависит выбор способа усиления и возможность дальнейшей эксплуатации конструкции. Выполненное исследование показало, что способ учёта геометрии трещины существенно влияет на результаты расчёта. Наиболее заметное влияние оказывает глубина повреждения. При относительной глубине трещины 150 мм различие между аналитическим расчётом и конечно-элементным моделированием в ANSYS составило около 1,7 %. При этом оба подхода зафиксировали увеличение напряжений примерно в 2,7 раза по сравнению с неповреждённым сводом. Установлено, что расчёт без учёта трещины приводит к завышенной оценке несущей способности конструкции. В таком случае фактическое состояние повреждённого свода может быть оценено неверно, что повышает риск дальнейшего развития дефектов. Сопоставление аналитических методов со средствами численного моделирования показало эффективность их совместного применения. Использование расчётов со снижением жёсткости материала вместе с моделированием в ANSYS и технологией Pre-Meshed Crack позволяет более точно определять напряжённо-деформированное состояние каменных сводов и обоснованно назначать мероприятия по усилению конструкции. При выполнении диссертационного исследования использовались программы для поиска научных источников, расчётов и обработки результатов. Для работы с литературой применялись Mendeley и eLIBRARY.RU. Численный анализ и моделирование конструкций проводились в ANSYS и SCAD Office. Построение расчётных схем выполнялось в AutoCAD, а обработка результатов и подготовка таблиц — в Microsoft Excel.

The study focuses on a cylindrical masonry vault with a vertical crack located in the crown region. The analysis considers how the crack depth and its position affect the stress–strain response of the vault and its remaining load-bearing capacity. Two calculation approaches are used. The first is an analytical method based on reducing the effective cross-sectional area. The second is a finite element model developed in the ANSYS software environment, including the use of the Pre-Meshed Crack technique. The results obtained from both approaches are compared with each other and with conventional design methods used in current structural standards. Research objectives 1. To study the structural behavior of masonry vaults and walls, as well as the main methods used for their analysis. 2. To analyze the existing causes of crack formation in masonry structures and the mechanisms of crack development. 3. To investigate the influence of cracks with different locations and dimensions on the stress-strain state of masonry vaults and walls. 4. To determine the change in the load-bearing capacity of masonry structures containing cracks using analytical calculation methods. 5. To perform numerical modeling of masonry vaults with cracks in the ANSYS software package. 6. To compare the results of analytical and numerical calculations and establish relationships between crack parameters and the load-bearing capacity of structures. 7. To develop recommendations for the engineering assessment of damaged masonry structures during the inspection of buildings and structures. A review of scientific literature shows that evaluating the effect of cracks on the load-bearing capacity of masonry remains a significant problem in structural mechanics. This is explained by the high prevalence of damage in existing buildings: studies indicate that approximately 80–90% of masonry structures contain cracks of various types. Accurate determination of residual capacity is essential for selecting strengthening measures and deciding whether continued operation is possible. The obtained results demonstrate that the way crack geometry is represented has a noticeable influence on the calculated response. Crack depth plays the dominant role. For a relative crack depth of 150 mm, the difference between the analytical method and the ANSYS finite element model was about 1.7%. At the same time, both approaches showed that stresses increased by approximately 2.7 times compared to the intact vault. It was also found that neglecting cracks in calculations leads to an overestimation of the load-bearing capacity. This can result in an incorrect assessment of the actual structural condition and increase the risk of further damage development. The comparison of analytical and numerical approaches confirms that their combined use is effective. The joint application of stiffness reduction methods and finite element modeling in ANSYS with Pre-Meshed Crack representation allows a more accurate description of the stress–strain state and provides a justified basis for strengthening decisions. During the preparation of the thesis, several software tools were used for literature management, structural modeling, and data processing. Mendeley and eLIBRARY.RU were used to manage scientific publications and bibliographic materials. Numerical calculations and structural modeling were performed using ANSYS and SCAD Office software packages. Drawings and calculation models were prepared in AutoCAD. Results were processed, tables were created, and calculations were performed using Micrоsoft Excеl.