Αναλυτική αποτίμηση της ανελαστικής συμπεριφοράς κόμβων οπλισμένου σκυροδέματος υπό ανακυκλιζόμενη ένταση

Abstract

Η διατήρηση της ακεραιότητας των κόμβων δοκού - υποστυλώματος μιας πλαισιωτής κατασκευής από οπλισμένο σκυρόδεμα, που υφίσταται ανακυκλιζόμενες σεισμικές δράσεις μεγάλου εύρους, έχει αποδειχθεί να είναι κρίσιμη για την ασφάλεια συνολικά του δομητικού συστήματος. Στην ανάλυση οι κόμβοι προσομοιώνονται ως άκαμπτες συνδέσεις ενώ αναμένουμε να παραμείνουν ελαστικοί κατά τη σεισμική απόκριση. Αντίθετα όμως, παρατηρείται πως οι κόμβοι υφίστανται μεγάλες ανελαστικές παραμορφώσεις με ταυτόχρονη πτώση της αντοχής και της δυσκαμψίας τους. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω της συμπεριφοράς του σκυροδέματος υπό ανακυκλιζόμενη διατμητική δράση και της απώλειας της συνάφειας χάλυβα - σκυροδέματος με επακόλουθη ολίσθηση των οπλισμών της δοκού που περνούν μέσα απ' τον κόμβο. Ο κύριος σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η αναλυτική διερεύνηση της ανελαστικής συμπεριφοράς δύο κόμβων δοκού - υποστυλώματος από οπλισμένο σκυρόδεμα, υπό ανακυκλιζόμενη ένταση. Η ανάλυση πραγματοποιείται στο περιβάλλον του γενικού προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Για την τεκμηρίωση της αναλυτικής προσέγγισης, η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την τρισδιάστατη μη - γραμμική προσομοίωση στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος με το πρόγραμμα ANSYS, περιγράφεται εκτενώς. Ελέγχεται επιπλέον η αξιοπιστία της, μέσω παραμετρικών αναλύσεων δύο απλών αμφιέριστων δοκών, των οποίων τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν γενικά να είναι σε καλή συμφωνία με τα αντίστοιχα πειραματικά. Για την αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς των κόμβων, εξετάζονται δύο δοκίμια, ένα για εξωτερικό και ένα για εσωτερικό κόμβο και γίνεται σύγκριση των αναλυτικών προβλέψεων με τα πειραματικά αποτελέσματα. Περεταίρω, διερευνάται η επιρροή της ανελαστικής συμπεριρφοράς του κάθε κόμβου σε μια σειρά παραμέτρους της απόκρισης όπως η δυσκαμψία και η απορρόφηση υστερητικής ενέργειας, μέσω αναλύσεων όπου το σώμα του κόμβου προσομοιώθηκε με ελαστικά υλικά. Η επίδραση στη συμπεριφορά, παραγόντων όπως ο αριθμός οριζόντιων συνδετήρων στον κόμβο και η ύπαρξη εγκάρσιας θλίψης στο σκυρόδεμα επίσης εξετάστηκε. Τέλος, συζητούνται τα συμπεράσματα τόσο ως προς τη διαδικασία και τις δυνατότητες της προτεινόμενης προσομοίωσης όσο και ως προς τη συμπεριφορά των κόμβων που παρατηρήθηκε μέσω των αναλύσεων και των πειραμάτων που χρησιμοποιήθηκαν.

The integrity of beam - column joints of a moment resisting frame which is designed to undergo large cyclic seismic loads, is proved to be crucial for the integrity of the whole structure. In the analysis, joints are assumed to be perfectly rigid connections, while in the seismic response we expect them to remain within the elastic region. On the contrary however, joints usually sustain large inelastic deformations with strength and stiffness degradation at the same time. That is mainly due to concrete behavior under cyclic shear and of bond - slip failure of beam longitudinal reinforcement passing through the joint core. The primary objective of this thesis, was the analytical investigation of the inelastic response of two reinforced concrete beam - column joints under cyclic excitations. The analysis is performed within the environment of the ANSYS general purpose finite element software. To substantiate the analytical approach, the methodology followed for the three - dimensional, nonlinear simulation of reinforced concrete structural members using ANSYS, is duly described. In addition, its reliability is examined by initially presenting a parametric analysis of two simpler test specimens, namely two simply supported beams, for which the numerical results were found to be in good agreement with the experimental data. For the analytical investigation of the joint performance, two sub-assemblages are examined, one for exterior and one for interior joint for which experimental test results have been obtained. The two joints are analyzed and a comparison is presented between numerical predictions and their experimental counterparts. Furthermore, the effect of inelastic response, bond and cracking suffered by the joint, to the numerous response characteristics like the stiffness and the hysteretic energy dissipation, are investigated during the analysis, where the joint core is simulated using both elastic and inelastic materials. The influence, over the behavior, of factors such as the number of closed hoops in the joint core and the existence of lateral compression, is also being examined. Finally, conclusions are given regarding the problems and capabilities of the adopted analytical approach and also over the observed, analytical behavior of the joints.