Téglaelemek és falazat numerikus és kísérleti vizsgálata / Numerical and experimental analysis of ceramic masonry units and masonry

Nyilvántartási szám: 
21/31
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
haris.istvan@emk.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
A kutatás célja különböző, tömör és üreges kerámia téglaelemek és azokból álló falazatok numerikus és kísérleti vizsgálata függőleges és vízszintes terhekre. Alapvetően a jelenlegi szabványok a falazatokat nem annak építő elemeinek önálló vizsgálatán alapuló törésmechanikai leírásával vizsgálják. A falazatok tönkremenetelét leírni alkalmas egyetlen ismert ún. Tsai-Wu törési feltétel (alapvetően kompozitokra vonatkozó) nagyon bonyolult. Egyúttal közel 13 paraméterének tényleges kimérésére nincs ismert laboratóriumi eljárás. Így alkalmazhatósága csekély, legalábbis gyakorlati szempontból. Éppen ezért a vonatkozó szabványok egységesen előírt kisméretű minta próbatestek (falazatok) laboratóriumi vizsgálatát írják elő, melyből „visszafelé” kerülnek kvázi-empirikus úton levezetésre a falazóelemre és habarcsra (vasalásra) vonatkozó követelmények. Ettől az algoritmustól alapjaiban eltérve, egy önálló falazóelem viselkedése, így törési feltételei is leírhatók, numerikusan meghatározhatók a laboratóriumban már mérhető alapanyag jellemzők ismeretében. Ezzel lehetőség nyílik a falazatok elemekből történő felépítésére és vizsgálatára, numerikus modell alkalmazásával. A kutatás alapját alapvetően a vasalatlan beton alapanyagra kidolgozott anyagmodellek (Rankine, valamint Menetery William törési feltétel) kerámia alapanyagra való alkalmazása szolgáltatja. Ehhez szükséges a falat alkotó elemek egyedi valós viselkedésének leírása többtengelyű statikus, kvázi-statikus és dinamikus terhelésre. Az anyagmodellek parametrizálásához szükséges állandók, paraméterek meghatározása a valós laboratóriumi kísérletek alapján validált numerikus kísérletekkel történik. Az egyes elemek (tégla és habarcs) és a kapcsolatok nemlineáris végeselemes modellezési lehetőségeinek vizsgálata egyaránt monoton növekvő és ciklikus terhelésre is elengedhetetlen. Több, különböző méretű, tömör, szokványos téglaelemek (hagyományos kisméretű téglák) mellett, korszerű üreges elemek laboratóriumi és numerikus vizsgálatára is ki kell terjedjen a kutatás. A vizsgálatok során szükséges elvégezni az iparban leginkább használatos gyártási technológiák alapanyagra gyakorolt hatásának vizsgálatát, az önálló elemek és a falazat statikus és dinamikus analízisét, a viselkedések összehasonlítását, a ciklikus degradáció modellezését, elem és falazat szintjén egyaránt. Az üreges téglaelemek bordázatának (minden irányú) teherbírásra gyakorolt hatását is elemezni kell. Hazai és nemzetközi kutatásokhoz illeszkedő laborkísérletek megtervezése és elvégzése szükséges, mely alapján elvégezhető a numerikus és kísérleti eredmények összehasonlítása, elemzése, a végeselemes modellek validálása. Az egyes elemek (tégla elem, habarcs) egyedi jellemzőinek tartószerkezeti rendszerre (reprezentatív térfogatra), esetleg a teljes épületszerkezetre (teljes falazatra) gyakorolt hatását vizsgálva az eredmények alapján a numerikus modellezésre és a tényleges tervezésre vonatkozó ajánlásokat, tervezési útmutatásokat kell megfogalmazni.
 
***
 
The purpose of the research is a numerical and experimental investigation of different, isotropic and anisotropic ceramic masonry units and their masonry under vertical and horizontal loads. In principle, the current standards examine masonry by describing the fracture mechanics not based on a separate examination of its building units. The only known so-called the Tsai-Wu fracture condition to describe the destruction of masonry (for composites) is very complex. At the same time, there is no known laboratory procedure for the actual measurement of nearly 13 of its parameters. Thus, its applicability is low, at least from a practical point of view. For this reason, the relevant standards prescribe a uniformly prescribed experimental test of small sample specimens (masonry), from which the requirements for the masonry unit and mortar (reinforcement) are derived “backwards” in a quasi-empirical way. Fundamentally deviating from this algorithm, the behavior of an individual masonry element, and thus its fracture conditions, can be described and quantified with knowledge of the raw material characteristics already measured in the laboratory. This even makes it possible to build and inspect masonry from elements, by numerical model. The main basis of the research is the application of material models developed for unreinforced concrete (Rankine and Menetery William fracture criteria) to ceramic. This requires a description of the unique real behavior of masonry components for static, quasi-static and dynamic loading. The parameters for the parameterization of the material models are determined by numerical simulations validated on the basis of experimental results. Investigation of nonlinear finite element modeling possibilities of individual elements (masonry units and mortar) and the connections is essential for both monotonically increasing and cyclic loading. In addition to several isotropic, standard brick units of different sizes, the research should also cover the experimental and numerical investigation of modern, anisotropic ceramic units. In the course of the research, it is necessary to analyze the effect of the most used manufacturing technologies on the ceramic material, the static and dynamic analysis of individual elements and masonry, the comparison of behaviors, the modeling of cyclic degradation at both unit and element level. The effect of the ribbing of the anisotropic units on the load capacity (in all directions) must also be analyzed. It is necessary to design and perform laboratory experiments in line with domestic and international research, based on which the comparison and analysis of numerical and experimental results and the validation of finite element models can be performed. Examining of the effect of the individual characteristics of each element (masonry unit, mortar) on the structural system (representative volume) and possibly on the entire masonry wall (complete masonry wall). Recommendations and design guidelines for numerical modeling and actual design method should be formulated based on the results.
A téma meghatározó irodalma: 
1. Frumento, S.; Magenes, G.; Morandi, G.; Calvi, G.M.: „Interpretation of experimental shear tests on clay brick masonry walls and evaluation of q-factors for seismic design”, Pavia, Italy, 2009
2. Tsai, S.W.; Wu, E.M.: „A General Theory of Strength for Anisotropic Materials”, J. Composite Materials, Vol. 5 (January 1971), p. 58
3. Bui, T.T.; Limam, A.; Sarhosis, V.; Hjiaj, M., “Discrete element modelling of the in-plane and out-of-plane behaviour of dry-joint masonry wall constructions”, Engineering Structures, Vol. 136, pp. 277-294, 2017
4. Lourenco, P.B.; Rots, J.G.; Blaauwendraad, J.: „Continuum model for masonry: parameter estimation and validation”, Journal Of Structural Engineering, Vol. 124, Issue 6, 1998.
5. Orduna A.; Lourenco, P.B.: „Three-dimensional limit analysis of rigid blocks assemblages. Part I: Torsion failure on frictional interfaces and limit analysis formulation”, International Journal of Solids and Structures, Vol 12., Issues 18-19, pp. 5140-5160, 2005
6. Rafael, G.; Oliveira, J.; Rodriguesa, R.C.; Pereira, J.M.;  Lourenco, P.B.; Rúben, F.R.; Lopes: „Experimental and numerical analysis on the structural fire behaviour of three-cell hollowed concrete masonry walls”, Engineering Structures, Vol 228., 2021, Article 111439
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
1. Periodica Polytechnica – Civil Engineering (WoS, Scopus)
2. Engineering Structures (WoS, Scopus)
3. International Journal of Optimization in Civil Engineering
4. Journal of Structural Engineering (WoS, Scopus)
5. International Journal of Solids and Structures (WoS, Scopus)
6. Revista De La Construccion (WoS, Scopus)
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1. Roszevák, Zs.; Haris, I.: „The effect of non-linear finite element analysis on the description of the global behavior of a prefabricated rc skeleton”, International Journal of Optimization in Civil Engineering 11:3, pp. 515-546., 32 p. (2021)
2. Haris, I.; Farkas, Gy.: „Experimental results on masonry infilled rc frames for monotonic increasing and cyclic lateral loads”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 62:(3) pp. 772-782. (2018) (WoS, Scopus)
3. Haris, I.; Hortobágyi, Zs.: „Comparison of experimental and analytical results on masonry infilled rc frames for cyclic lateral load”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 59:(2), pp. 193-208. (2015) (WoS, Scopus)
4. Haris, I.; Hortobágyi, Zs.: „Different fem models of reinforced concrete frames stiffened with infill masonry for lateral loads”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 56:(1), pp. 25-34. (2012)
5. Roszevák, Zs.; Haris, I.: „Finite element analysis of cast-in-situ RC frame corner joints under quasi static and cyclic loading”, Revista De La Construccion 18:3, pp. 579-594., 16 p. (2019)
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
1. Roszevák, Zs.; Haris, I.: „The effect of non-linear finite element analysis on the description of the global behavior of a prefabricated RC skeleton”, International Journal of Optimization in Civil Engineering 11:3, pp. 515-546., 32 p. (2021)
2. Haris, I.; Farkas, Gy.: „Experimental results on masonry infilled rc frames for monotonic increasing and cyclic lateral loads”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 62:(3) pp. 772-782. (2018)
3. Haris, I.; Hortobágyi, Zs.: „Comparison of experimental and analytical results on masonry infilled rc frames for cyclic lateral load”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 59:(2), pp. 193-208. (2015)
4. Haris, I.; Hortobágyi, Zs.: „Different fem models of reinforced concrete frames stiffened with infill masonry for lateral loads”, Periodica Polytechnica-Civil Engineering 56:(1), pp. 25-34. (2012)
5. Roszevák, Zs.; Haris, I.: „Finite element analysis of cast-in-situ RC frame corner joints under quasi static and cyclic loading”, Revista De La Construccion 18:3, pp. 579-594., 16 p. (2019)

A témavezető eddigi doktoranduszai

Roszevák Zsolt (2017/2021/)
Státusz: 
elfogadott