Ανελαστική στατική ανάλυση πλαισιακών φορέων από οπλισμένο σκυρόδεμα με τη μέθοδο των μη γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία θα παρουσιάσουμε τη λεπτομερή προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία φορέων από οπλισμένο σκυρόδεμα, μέσω της οποίας θα αποτιμήσουμε τη μη γραμμική στατική τους συμπεριφορά. Η προτεινόμενη προσομοίωση κατορθώνει να υπερνικήσει περιορισμούς και μειονεκτήματα παλαιότερων μοντέλων αναφορικά με την ακρίβεια και την υπολογιστική αποδοτικότητα. Το σκυρόδεμα διακριτοποιείται με ισοπαραμετρικά εξαεδρικά οκτακομβικά στοιχεία. Οι ενσωματωμένοι ράβδοι οπλισμού μπορούν να έχουν οποιοδήποτε προσανατολισμό εντός του εσωτερικού των συμπαγών πεπερασμένων στοιχείων του σκυροδέματος, επιτρέποντας την προσομοίωση τόσο διαμήκων όσο και διατμητικών οπλισμών (συνδετήρων). Η ρηγμάτωση του σκυροδέματος αντιμετωπίζεται με τη μέθοδο της διανεμημένης ρωγμής, ενώ οι ράβδοι οπλισμού προσομοιώνονται με φυσικά στοιχεία δυνάμεων, τα οποία συνδυάζουν τη μέθοδο των φυσικών μορφών με τη μέθοδο των ινών και έχουν το πλεονέκτημα να λαμβάνουν υπόψιν πέραν της αξονικής τόσο την καμπτική όσο και τη διατμητική στιβαρότητα των ράβδων οπλισμού, καθώς επίσης και τη σχετική τους ολίσθηση με το σκυρόδεμα. Η απόδοση και η αριθμητική ευρωστία του προτεινόμενου κώδικα ReConAn, ο οποίος έχει αναπτυχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού fortran 95, επιδεικνύεται μέσω της σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα πειραματικά τα οποία υπάρχουν στη διεθνή αλληλογραφία. Τα συμπεράσματα, που εξήχθησαν από τη σύγκριση αυτή, αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη αυτή εξελιγμένη προσομοίωση προβλέπει όχι μόνο με ικανοποιητική ακρίβεια αλλά και γρήγορα τη στατική μη γραμμική ανελαστική συμπεριφορά πλαισιακών κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, επιτυγχάνοντας ικανοποιητική ακρίβεια και υπολογιστική αποδοτικότητα.

In this thesis we present and propose a detailed finite element modeling for the simulation of the nonlinear behavior of reinforced concrete structures which overcomes limitations of previous models regarding accuracy and computational efficiency. The proposed modeling method uses 8- node hexahedral isoparametric elements for the discretization of concrete. Steel rebars may have any orientation inside the solid concrete elements allowing the simulation of longitudinal as well as transverse reinforcement. Concrete cracking is treated with the smeared crack approach, while steel reinforcement is modeled with the natural beam-column flexibility-based element that is based on the natural mode method and the fiber approach and takes into consideration bending and shear stiffness, as well as slippage with concrete. The numerical results came from the proposed code of finite elements ReConAn_Academic, which was developed in language fortran 95. The performance of the proposed modeling is demonstrated by comparing the numerical predictions with existing experimental results in the literature. The results show that the proposed refined simulation predicts accurately the static nonlinear inelastic behavior of reinforced concrete structures achieving numerical robustness and computational efficiency.