Gótikus szerkezetek elméleti és numerikus statikai vizsgálata (Theoretical and numerical analysis of the statics of Gothic masonry structures)

Nyilvántartási szám: 
15/14
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
bagi.katalin@emk.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 

A gótikus építészet számos olyan geometriai jellegű szerkesztési szabályt használ, amelyek a szerkezeti elemek különféle méreteinek egymáshoz való viszonyát szabályozzák. Ilyenek például a csúcsív ívhossza és az alátámasztó pillér vastagsága közötti, vagy a támpillér magassága és vastagsága közötti összefüggések. Ezek a szabályok csak együttesen értelmezhetők, szerves rendszert alkotnak. E szabályrendszerek alkalmazása magyarázza, hogy a közel azonos időben és földrajzi területen épült katedrálisok nagyon hasonlítanak egymáshoz, gyakran szinte egymás kicsinyített-nagyított változatának tűnhetnek.
Bár minden valószínűség szerint eredetileg geometriai-esztétikai alapon alakultak ki, ezek a szabályrendszerek akkor élhették csak túl az évszázadokat, ha olyan szerkezeteket eredményeztek, amelyek önsúlyra, meteorológiai terhekre és kisebb talajmozgásokra állékonynak bizonyultak. Jelenleg azonban nem létezik olyan átfogó elemzés, amely feltárná e szabályrendszerek működőképességének mélyebb hátterét, és a ma rendelkezésre álló tudományos fogalmak és numerikus eljárások keretében értelmezné a különféle gótikus épületek mechanikai működését. A PhD kutatás célja annak vizsgálata, hogy a szerkesztési szabályrendszerek mögött milyen statikai indokok és tönkremenetelekkel kapcsolatos esetleges tapasztalatok állhatnak. Így vizsgálható az is, hogy milyen az egyes szerkezeti elemek, illetve ezek együtteseinek biztonsága, illetve melyek az épületek különösen sérülékeny részei.
A kutatások első lépése a szakirodalomban fellelhető gótikus szerkesztési szabályrendszerek összegyűjtése és kritikus elemzése. Ebben fontos támpontot adnak a sérült és tönkrement szerkezetekről szóló beszámolók. Második lépésként diszkrételemes és végeselemes numerikus modellezés segítségével szimulálható a szerkezetek mechanikai viselkedése.
A vizsgálatok elvégzéséhez háromdimenziós diszkrét elemes szoftver (3DEC) és szükség esetén klasszikus végeselemes szoftver (ANSYS) áll rendelkezésre.

********************

Gothic architecture applies several geometrical construction rules that regulate the relations of the different dimensions of the structure to each other: length of the pointed arc is related to the thickness of its supporting pillars; height of buttresses is related to its width etc. These geometric rules formulate a complex system, and the individual rules can be interpreted only in harmony with each other. (This explains the usual experience why cathedrals built on the same geographic region around the same time are rather similar to each other in appearance: the same set of rules were applied in their construction.) 
 Though these rules were originally based probably on aesthetic and philosophical principles and on trial-and-error experiences, only those rules could survive the centuries which led to structures that turned out to be stable under the usual effects like selfweight, meteorological loads and at least minor soil movements. However, the mechanical background of these sets of rules is still unrevealed today. The PhD research should interpret these rules in the frame of modern mechanics, and reveal the statics principles and probable experiences that are hidden behind these rules. Particularly vulnerable parts of Gothic structures could also be indentified this way. 
 The first step of this research is to collect the gothic construction rules that can be found in the literature. Their statical background is to be understood and criticized. Then modern numerical techniques should be applied to simulate the mechanical behaviour of Gothic structures or structural members under the typical loads of masonry structures, in order to assess the reliability of the considered rules. 
 3DEC discrete element code, and if needed, ANSYS finite element code are available for performing the research. Demonstrated previous experience in using a discrete element code with polyhedral elements is indispensable.
A téma meghatározó irodalma: 
  • Fitchen J., 1961. The Construction of Gothic Cathedrals. Clarendon Press, Oxford
  • Heyman, J., 1995. The Stone Skeleton: Structural Engineering of Masonry Architecture. Cambridge University Press
  • Heyman, J., 1967. On shell solutions for masonry domes. International Journal of Solids and Structures 3(2):227-241
  • P. Block, L. Lachauer, 2014. Three-dimensional (3d) equilibrium analysis of gothic masonry vaults, International Journal of Architectural Heritage 8 pp. 312-335.
  • S. Huerta, 2009, The debate about the structural behaviour of gothic vaults: From viollet-le-duc to heyman, in: Proceedings of the Third International Congress on Construction History, Cottbus, Germany, pp. 837-844.
  • Lemos, J., 2007. Discrete Element Modeling of Masonry Structures. International Journal of Architectural Heritage, 1:2., pp. 190-213.
  • Bagi, K. 2013. Fundaments of the Discrete Element Method. Lecture Notes, Department of Structural Mechanics, TU Budapest
  • Lemos, J.V., 2016: The basis for masonry analysis with UDEC and 3DEC. In: Computational Modeling of Masonry Structures Using the Discrete Element Method, eds. Sarhosis, Bagi et al, IGI Global
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
  • International Journal of Architectural Heritage (IF_2013=0,714)
  • Computers and Structures (IF_2013=2,178)
  • Engineering Structures (IF_2013=1,767)
  • International Journal of Solids and Structures (IF_2013=2,035)
  • Mechanics Research Communications (IF_2013=1,495)
  • Journal of Engineering Mechanics (IF_2013=1,173)
  • Magyar Építőipar
  • TMS (Transactions of The Masonry Society)
  • International Journal of Masonry Research and Innovation
  • Open Construction and Building Technology Journal (open)
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
  • Bagi, Katalin: On the concept of jammed configurations from a structural mechanics perspective, GRANULAR MATTER 9: (1-2) pp. 109-134. (2007)
  • Kuhn MR; Bagi K: Specimen Size Effect in Discrete Element Simulations of Granular Assemblies, JOURNAL OF ENGINEERING MECHANICS 135: (6) pp. 485-492. (2009)
  • Tóth A R; Orbán Z; Bagi K: Discrete element analysis of a stone masonry arch, MECHANICS RESEARCH COMMUNICATIONS 36: pp. 469-480. (2009)
  • Bagi K: When Heyman’s Safe Theorem of rigid block systems fails: Non-Heymanian collapse modes of masonry structures, INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES 51: (14) pp. 2696-2705. (2014)
  • Simon J; Bagi K: Discrete element analysis of the minimum thickness of oval masonry domes, INTERNATIONAL JOURNAL OF ARCHITECTURAL HERITAGE (eISSN: 1558-3066) Paper 10.1080/15583058.2014.996921. (2015)
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
  • Tóth A R; Orbán Z; Bagi K: Discrete element analysis of a stone masonry arch, MECHANICS RESEARCH COMMUNICATIONS 36: pp. 469-480. (2009)
  • Bagi K: When Heyman’s Safe Theorem of rigid block systems fails: Non-Heymanian collapse modes of masonry structures, INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES 51: (14) pp. 2696-2705. (2014)
  • Simon J; Bagi K: Discrete element analysis of the minimum thickness of oval masonry domes, INTERNATIONAL JOURNAL OF ARCHITECTURAL HERITAGE (eISSN: 1558-3066) Paper 10.1080/15583058.2014.996921. (2015)
  • Gábor Lengyel; Katalin Bagi: Numerical analysis of the mechanical role of the ribs in groin vaults, COMPUTERS & STRUCTURES 158: (1) pp. 42-60. (2015)
  • Szakály F; Hortobágyi Zs; Bagi K: Discrete Element Analysis of The Shear Resistance of Planar Walls with Different Bond Patterns, OPEN CONSTRUCTION & BUILDING TECHNOLOGY JOURNAL 10: pp. 190-202. (2016)

A témavezető eddigi doktoranduszai

Chen Shipeng (2018//)
Lengyel Gábor (2013/2016/2018)
Státusz: 
elfogadott