Stress assessment and comparison of conventional concrete and expanded polystyrene concrete spherical shells

Expanded polystyrene concrete (EPSC) has less weight and density than conventional concrete. The main objective of this study is to perform a structural performance assessment and comparison of EPSC and conventional concrete spherical shells and to inspect structural feasibility of EPSC in shell construction. The followed methods are, firstly, an experimental work is conducted on EPSC mixture, to find the mechanical properties of the material. Next, the structural efficiencies of the two materials in spherical shells of the same geometric parameters are evaluated considering a live load of 1 kN/m² and self-weight of each material. The meridional and hoop stresses, maximum vertical displacements of the shells were analyzed analytically and numerically for comparison. The study shows that, compressive meridional and hoop stresses as well as tensile hoop stresses are greater in conventional concrete shells than in EPSC shells. The stresses induced in EPSC shells are much smaller than the strength capacity of the material. In addition, for both materials the maximum displacement is insignificant in comparison to the respective span of the shells, ensuring that strength-wise EPSC is feasible to be used in spherical shells.

Пенополистиролбетон (EPSC) имеет меньший вес и плотность, чем обычный бетон. Основной целью данного исследования является оценка конструктивных характеристик и сравнение сферических оболочек из EPSC и обычного бетона, а также проверка возможности применения EPSC в строительстве оболочек. Следующие методы заключаются в том, что, во-первых, проводится экспериментальная работа со смесью EPSC для определения механических свойств материала. Затем оцениваются конструктивные характеристики двух материалов в сферических оболочках с одинаковыми геометрическими параметрами с учетом рабочей нагрузки в 1 кН/м2 и собственного веса каждого материала. Для сравнения аналитически и численно были проанализированы меридиональные и кольцевые напряжения, максимальные вертикальные смещения оболочек. Исследование показывает, что меридиональные и кольцевые напряжения сжатия, а также растягивающие кольцевые напряжения в обычных бетонных оболочках больше, чем в оболочках из EPSC. Напряжения, возникающие в оболочках EPSC, намного меньше, чем прочностные характеристики материала. Кроме того, для обоих материалов максимальное смещение незначительно по сравнению с соответствующим пролетом оболочек, что обеспечивает возможность использования EPSC в сферических оболочках с учетом их прочности.