Detailed Three-Dimensional Nonlinear Hybrid Simulation for the Analysis of Large-Scale Reinforced Concrete Structures

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με τριδιάστατα υβριδικά προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων. Η έρευνα αυτή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη νέων ή βελτίωση υπαρχουσών μεθόδων προσομοίωσης κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, με σκοπό τον ορθότερο και ασφαλέστερο σχεδιασμό των κατασκευών αυτών. Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αναπτύχθηκε ένας κώδικας βασισμένος στις αρχές του εγγενούς αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού (ReConAn: Reinforced Concrete Analysis) ο οποίος περιέχει στις βιβλιοθήκες του όλα τα πεπερασμένα στοιχεία και καταστατικούς νόμους υλικών με τους οποίους πραγματεύεται η ερευνητική αυτή εργασία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο νέος κώδικας είναι αρκετά γρήγορος σε σχέση με τα εμπορικά λογισμικά (Femap with NXNastran, Opensees). Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό μετεπεξεργασίας (ReConAn Eye) το οποίο επιτρέπει την αναπαράσταση της ρηγμάτωσης. Ο κώδικας ReConAn, ενσωματώνει προσομοιώματα τριδιάστατων εξαεδρικών πεπερασμένων στοιχείων για τη λεπτομερή προσομοίωση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Παράλληλα, έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης του φαινομένου της ρηγμάτωσης μέσω της θεώρησης της μεθόδου της διανεμημένης ρωγμής (smeared crack approach) η οποία συνδυάζεται με τον αλγοριθμικά βελτιωμένο καταστατικό νόμο υλικού σκυροδέματος των Kotsovos & Pavlovic ο οποίος ενσωματώνεται για πρώτη φορά σε τριδιάστατα εξαεδρικά πεπερασμένα στοιχεία 8 κόμβων, γεγονός το οποίο καθιστούν την προτεινόμενη μεθοδολογία προσομοίωσης ταχύτατη. Οι οπλισμοί προσομοιώνονται ως εγκιβωτισμένα στοιχεία δοκού (στοιχείο δυνάμεων ΝΒCFB) τα οποία λαμβάνουν υπόψη την διατμητική και καμπτική στιβαρότητα των ράβδων οπλισμού. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων και η υπολογιστική συμπεριφορά του προτεινόμενου προσομοιώματος συγκρίθηκαν με άλλες μεθοδολογίες προσομοίωσης οι οποίες ενσωματώνονται σε εμπορικά λογισμικά πακέτα που υπάρχουν διεθνώς (ΑΤΕΝΑ, ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS). Αναπτύχθηκε μία νέα μεθοδολογία αναγνώρισης εγκιβωτισμένων ραβδωτών στοιχείων οπλισμού εντός εξαεδρικών στοιχείων. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την ελεύθερη τοποθέτηση των οπλισμών εντός των εξαεδρικών στοιχείων και απαιτεί ελάχιστο υπολογιστικό χρόνο για την αναγνώριση και δημιουργία του δικτύου των εγκιβωτισμένων πεπερασμένων στοιχείων οπλισμού. Αναγνωρίστηκε η αδυναμία των λεπτομερών τριδιάστατων προσομοιωμάτων να μοντελοποιήσουν μεγάλης κλίμακας κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα λόγω του μεγάλου υπολογιστικού κόστους και αναπτύχθηκε ένα νέο τριδιάστατο μη-γραμμικό υβριδικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων για την ανάλυση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Για τον σκοπό αυτό, έγινε η σύνδεση του φυσικού στοιχείου δυνάμεων ΝΒCFB οπλισμένου σκυροδέματος με το εξαεδρικό στοιχείο σκυροδέματος με εγκιβωτισμένες ράβδους. Η λογική διακριτοποίησης μίας κατασκευής με υβριδικό προσομοίωμα, προβλέπει την προσομοίωση των κατασκευαστικών μελών τα οποία αναμένεται να αναπτύξουν σημαντικές μη-γραμμικότητες μέσω τριδιάστατων λεπτομερών προσομοιωμάτων και τα υπόλοιπα κατασκευαστικά μέλη μέσω στοιχείων δοκού-υποστυλώματος.

Modeling of RC structures with beam-column type finite elements was proven to be insufficient and inaccurate, especially when dealing with shear dominated structural members and structures with complex geometries. Nevertheless, this type of finite element is used widely for the analysis and design of RC structures due to its computational efficiency which is attributed to the resulting reduced-size numerical finite element models. Based on these limitations, an extensive literature survey was conducted, with the intention to allocate the most promising beam-column FE formulation for modeling RC structures. It was concluded that one of the most numerically advanced beam FE type was the Natural Beam-Column Flexibility-Based (NBCFB) element, which was incorporated in ReConAn software code following an extensive parametric investigation regarding its nonlinear numerical behavior. The second objective of this Dissertation was the literature investigation of 2D and 3D nonlinear modeling methods for RC structures with the purpose of acquiring a general idea about the trends on more sophisticated FE models. Furthermore, the selection of the numerically most promising 3D modeling method was a primary objective, in order to develop a sophisticated software tool capable of predicting the nonlinear response of full-scale RC structures in an acceptable computational time. After this literature review, it was concluded that the existing three-dimensional modeling techniques exhibit a number of limitations for capturing the nonlinear behavior of RC structures and that the corresponding software with sophisticated models for the simulation of nonlinear phenomena, such as cracking and detailed rebar modeling, are very sparse. This is attributed to the numerical restrictions and difficulties described above, whereas the required CPU resources become excessive when dealing with such numerical models even for the case of small-scale FE models. It is well known that the analysis of multistory RC buildings is performed through the use of beam-column elements which allow fast simulation times without serious numerical instabilities. In order to be able to analyze this type of structures with three-dimensional constitutive material models incorporated into 3D finite elements and the use of standard CPU systems, the availability of a powerful software tool is not enough. This constraint derives from the fact that CPU processors are bounded from an upper limit which is determined from the hardware itself. Processing power was not and will never be enough since the demand for the solution of larger numerical models constantly increases. In general, this is attributed to the necessity of large-scale simulations with detailed models for the purpose of capturing, as realistically as possible, the nonlinear behavior of structural systems. Therefore, the third objective of this Dissertation was to determine numerical techniques which will overcome these limitations when dealing with full-scale RC structures. A well-known approach that is used widely in computational mechanics is the use of parallel solvers which in this case will become a subject of future work. A second approach for overcoming this numerical restriction is to use models which combine different types of FE models and which will be called “hybrid models”. This type of modeling assumes that shear dominated structural members with an expected highly nonlinear behavior are modeled with 3D detailed finite elements and the rest of the structure is modeled with simpler beam-column finite elements. This technique leads to a reduction in the complexity of the model and of the required computational demand for the solution of the discretized model, retaining at the same time an acceptable accuracy during the analysis procedure. Finally, the last objective of this research work, was the development of an object-oriented FEA code, capable of easily incorporating advanced numerical techniques and modeling methods for the analysis of RC structures. In addition, it will have the ability to incorporate easily future work and simulation enhancements, which will result into a more general FEA code that will provide the ability of realistic and reliable predictions of the nonlinear response of any type of structure. For the purpose of developing an extendable and sustainable program code, modern programming techniques are used and new numerical methods are developed to create the necessary program structure which will incorporate these state of-the-art features. It is the author’s personal opinion that this task is of great importance, especially when dealing with the solution of computationally complex numerical problems.