Αναλυτική μελέτη περισφιγμένων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος με τη μέθοδο των μη γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων στο χώρο

Abstract

The present thesis entitled "Analytical Study of Confined Reinforced Concrete Members using the Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Method" includes an analytical study of reinforced concrete bridge piers of solid and hollow section with various transverse reinforcement arrangements. A variety of confinement patterns is examined, such as closed overlapping hoops and transverse links, and effectiveness of confinement is assessed in each of them. A key issue is to suggest the most convenient confinement arrangements in terms of enhanced strength and ductility, as well as ease of construction and cost effectiveness. Modelling of bridge sections is performed using three dimensional solid (brick) elements for concrete and embedded linear truss elements for reinforcement bars. In this context, direct simulation of the confinement effect is achieved, emanating from the induced restriction of concrete expansion due to axial tension of lateral reinforcement bars, under concentric monotonic compressive loading. For performing the present analysis, the commercial finite element package ATENA was selected and considerably improved, mainly in terms of the standard featured concrete constitutive law, which was revised to account for confinement characteristics that were not captured by the existing model. More specifically, new constitutive equations in terms of the hardening/softening parameter and the plastic potential function were formulated in the context of the plasticity constitutive model for concrete in compression and all model parameters were calibrated upon the uniaxial concrete compressive strength, on the basis of an extensive experimental database. The above improvements were incorporated in the selected finite element software and verification analyses were performed in order to validate the efficiency of the improved concrete constitutive model and the performance of the nonlinear solver in general. Following the above developments, a large parametric analysis was performed on circular and rectangular bridge piers of solid and hollow section, which were taken directly from real constructed bridges in Greece. Various confinement arrangements and transverse reinforcement spacings were examined, as well as the effect of high strength concrete on confinement effectiveness. The analysis results are used as a basis for identifying the most convenient reinforcement arrangements in terms of various performance and economic indices, as well as detecting reduced ductility characteristics in a few cases. The present study clearly shows that three dimensional analysis can be considered as a very powerful analytical tool for investigating the structural performance not only of reinforced concrete members of common configurations, but also of more complex geometries and/or reinforcement patterns, such as those found in hollow bridge piers, wherein standard phenomenological models are generally not applicable.

Η παρούσα διατριβή με τίτλο "Αναλυτική Μελέτη Περισφιγμένων Στοιχείων Οπλισμένου Σκυροδέματος με τη Μέθοδο των Μη Γραμμικών Πεπερασμένων Στοιχείων στο Χώρο" περιλαμβάνει μια αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς βάθρων γεφυρών οπλισμένου σκυροδέματος, συμπαγούς και κοίλης διατομής, με εναλλακτικές διατάξεις οπλισμού περίσφιξης. Ειδικότερα, εξετάζεται μια σειρά γεωμετρικών διατάξεων εγκάρσιων οπλισμών, όπως οι κλειστοί αλληλοκαλυπτόμενοι συνδετήρες και οι εγκάρσιοι σύνδεσμοι και αποτιμάται η αποτελεσματικότητα της περίσφιξης σε κάθε περίπτωση. O βασικός στόχος είναι ο προσδιορισμός των προσφορότερων διατάξεων, τόσο από πλευράς εξασφάλισης αντοχής και πλάστιμης συμπεριφοράς όσο και από πλευράς κατασκευαστικής ευκολίας και οικονομίας. Η αναλυτική μελέτη των βάθρων γίνεται με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων τριών διαστάσεων για την προσομοίωση του σκυροδέματος σε συνδυασμό με εμφυτευμένα γραμμικά στοιχεία ράβδου για την προσομοίωση των οπλισμών. Με τον τρόπο αυτόν είναι δυνατή η άμεση προσομοίωση της περίσφιξης που προκύπτει από την παρεμπόδιση της εγκάρσιας διόγκωσης του σκυροδέματος του πυρήνα υπό αξονική κεντρική θλίψη. Για τις ανάγκες της αναλυτικής έρευνας χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ, στο οποίο υλοποιήθηκαν σημαντικές βελτιώσεις κυρίως σε επίπεδο καταστατικού νόμου πλαστικότητας σκυροδέματος, ο οποίος τροποποιήθηκε κατάλληλα έτσι ώστε να συμπεριλάβει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της περίσφιξης τα οποία δεν ήταν δυνατόν να περιγραφούν από τον υφιστάμενο νόμο. Συγκεκριμένα, ενσωματώθηκαν νέες καταστατικές εξισώσεις όσον αφορά την παράμετρο κράτυνσης/χαλάρωσης και τη συνάρτηση πλαστικού δυναμικού και έγινε βαθμονόμηση όλων των παραμέτρων του υλικού μέσω μιας εκτενούς πειραματικής βάσης δεδομένων. Οι παραπάνω βελτιώσεις ενσωματώθηκαν στο επιλεγμένο πρόγραμμα και πραγματοποιήθηκαν διερευνητικές αναλύσεις με σκοπό την αξιολόγηση της απόδοσης του νέου καταστατικού νόμου και της αριθμητικής διαδικασίας επίλυσης γενικότερα. Στη συνέχεια έγινε μία εκτενής παραμετρική ανάλυση κυκλικών και ορθογωνικών βάθρων κοίλης και συμπαγούς διατομής, τα οποία αντιστοιχούν σε πραγματικές γέφυρες που έχουν κατασκευαστεί στον ελληνικό χώρο. Εξετάστηκαν εναλλακτικές διατάξεις και πυκνότητες εγκάρσιων οπλισμών περίσφιξης καθώς και η επιρροή της ποιότητας του σκυροδέματος στην αντοχή και την πλαστιμότητα των περισφιγμένων στοιχείων. Με βάση τα αναλυτικά αποτελέσματα, αναδεικνύονται από τη μία πλευρά οι προσφορότερες διατάξεις περίσφιξης βάσει συγκεκριμένων δεικτών απόκρισης και κόστους και από την άλλη εντοπίζονται προβλήματα μειωμένης πλάστιμης συμπεριφοράς σε ορισμένες από αυτές. Η παρούσα έρευνα αποδεικνύει ότι η μέθοδος της μη γραμμικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων στο χώρο μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη της συμπεριφοράς όχι μόνο στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος συνήθους γεωμετρίας ή/και διατάξεων περίσφιξης αλλά και συνθετότερων μορφών, όπως τα κοίλα βάθρα γεφυρών, όπου οι συνήθεις φαινομενολογικές προσεγγίσεις εν γένει αδυνατούν να επεκταθούν.