Μη γραμμική στατική και δυναμική ανάλυση μεταλλικών κατασκευών με λεπτομερή προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μη γραμμική ανάλυση με λεπτομερή προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων μεταθετών μεταλλικών πλαισίων αποτελούμενων από κοχλιωτούς κόμβους δοκού-υποστυλώματος με προεξέχουσα μετωπική πλάκα. Αρχικά, πραγματοποιείται προσομοίωση των κόμβων: α) με επιφανειακά στοιχεία κελύφους σε συνδυασμό με ραβδωτά στοιχεία δοκού, και β) με εξαεδρικά-οκτακομβικά τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. Λαμβάνονται υπόψη τόσο μη γραμμικότητες υλικού όσο και γεωμετρικές μη γραμμικότητες συμπεριλαμβανομένων των επαφών μεταξύ των διαφόρων συστατικών μερών των συνδέσεων. Υπολογίζονται καμπύλες ροπής-στροφής (Μ-φ) χαρακτηριστικών κόμβων υποβαλλόμενων σε στατικά φορτία, και συγκρίνονται με πειραματικά αποτελέσματα και προβλέψεις του EC3 για την αποτίμηση των διαφόρων αριθμητικών μοντέλων. Ακολουθεί η ανάλυση πολυώροφων μεταλλικών πλαισίων με λεπτομερή προσομοίωση των κόμβων τους για την εμφάνιση κάθε είδους μη γραμμικής συμπεριφοράς. Για τα δομικά μέλη χρησιμοποιούνται τόσο πεπερασμένα στοιχεία κελύφους (πλήρη μοντέλα) όσο και ραβδωτά στοιχεία δοκού-υποστυλώματος με θεώρηση κατάλληλων κινηματικών εξαρτήσεων στις διεπιφάνειες (υβριδικά μοντέλα) για την αντιμετώπιση του μεγάλου υπολογιστικού κόστους που απαιτείται για την πραγματοποίηση μη γραμμικών αναλύσεων με λεπτομερή προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων. Πραγματοποιούνται τόσο μη γραμμικές στατικές αναλύσεις υπό οριζόντια φορτία (pushover) όσο και δυναμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας επιδεικνύοντας την επιρροή των κόμβων στη συμπεριφορά του φορέα. Ως οριζόντια σεισμική διέγερση χρησιμοποιείται ο σεισμός του El Centro. Πραγματοποιούνται παραμετρικές αναλύσεις ως προς τη μετωπική πλάκα και τους κοχλίες με σκοπό να φανεί η επιρροή των διαφόρων συστατικών μερών των κόμβων στην καθολική απόκριση του φορέα. Τέλος, εξετάζεται η επίδραση της διάτμησης στον κορμό του υποστυλώματος μέσω ενίσχυσης του με πρόσθετα ελάσματα. Η διακριτοποίηση των κόμβων και των πλαισίων σε πεπερασμένα στοιχεία γίνεται μέσω κατάλληλου λογισμικού που αναπτύχθηκε. Για τις αριθμητικές αναλύσεις χρησιμοποιείται το Abaqus/Standard.

The objective of this thesis is the nonlinear detailed finite element analysis of steel moment resisting frames with extended end-plate bolted beam-to-column joints. Firstly, the simulation of the joints is performed, using structural (beam and shell) and three-dimensional continuum (eight-node hexahedral solid) elements. Material as well as geometric nonlinearities with contact between the appropriate components of the connections are taken into account. The moment-rotation (Μ-φ) response of characteristic joints, subjected to static loads, is calculated and compared with experimental results and EC3 predictions for the validation of the corresponding numerical models. Then, multistory steel frames are examined with detailed modeling of their joints via structural elements according to the above study, capturing all types of nonlinearities. Frame members are modeled either with shell (full simulation) or with beam-column elements combined with proper compatibility constraints at the interfaces with the joints (hybrid simulation) accounting for the excessive computational effort required to perform nonlinear analyses with detailed finite element models. Pushover static and implicit direct-integration dynamic analyses taking into consideration P-delta effects are performed demonstrating the effect of joints on the overall response of the structure. El Centro earthquake horizontal accelerogram is considered for the seismic excitation. In order to study the influence of the joints end-plate and bolts, parametric analyses are performed demonstrating the effect of each component on the overall behavior of the frame. Finally, stiffening of the joints with supplementary web plates takes place in order to examine the influence of the panel zone deformations. The detailed finite element discretization of the joint and frame models is produced automatically from their corresponding geometric description via appropriate code that has been developed, while Abaqus/Standard software is used for the numerical analyses.