Διερεύνηση της αριθμητικής προσομοίωσης τοιχοπληρωμένων πλαισιακών φορέων Ο/Σ υπό σεισμικού τύπου φορτίσεις

Abstract

The interaction between masonry infills and the surrounding R/C frames when they are subjected to seismic type loading is the objective of this thesis. The present study is divided in two parts. The first part focuses on the development of 2-D nonlinear finite element models for the numerical simulation of infilled masonry panels. These models were validated by comparing the numerical results with experimental measurements. For simulating numerically the behaviour of unreinforced masonry the validation was based on the following: a) Numerical simulation of mortar joint under combined horizontal and compressive loading. b) Νumerical simulation of diagonal tension test. c) Νumerical simulation of racking tests on masonry piers. Based on the above, the numerical simulations with the best performance were next applied for simulating the observed behaviour of single-story one-bay R/C infilled frames that were subjected to combined horizontal cyclic loads together with vertical forces. The experimental results were obtained through extensive laboratory investigation that was carried out at Aristotle University (Thauampta 2008). The proposed numerical simulations were successful in predicting the observed behaviour. It was shown that the mechanical behaviour of the interface between the masonry infill and the surrounding R/C frame can exercise significant influence on the stress state and failure mechanism that develops in the masonry infill. In the second part, the in-plane seismic response of multistorey buildings is studied including the influence of masonry infills. Initially, one of the proposed nonlinear models is used to simulate successfully the behaviour of a plane, 3-storey R/C frame. Next, a push over analysis was performed for a plane 6-storey infilled RC building. Finally, a push over analysis on a 3-D, 6-storey, R/C masonry infilled structure was attempted without success due to very large computational demand. In order to overcome this difficulty a new methodology is proposed and validated, aiming to incorporate the change of stiffness of infills that are positioned within the R/C frames of a 3-D multi-storey building. In this elastic analysis the masonry infills are modelled as elastic diagonal struts with stiffness properties found from a complete inelastic analysis of a series of corresponding single-storey, one-bay infilled frames. The seismic response of a six-storey infilled RC building is successfully examined in this case.

Η παρούσα διατριβή έχει σαν στόχο να αναπτύξει κατάλληλες αριθμητικές προσομοιώσεις για να περιγράψει την μη γραμμική εντός επιπέδου συμπεριφορά των τοιχοπληρώσεων πλαίσιων Ο/Σ που υπόκεινται σε συνδυασμό οριζόντιων και κατακόρυφων φορτίων. Αρχικά, γίνεται η προσπάθεια να αναπτυχθούν κατάλληλοι καταστατικοί νόμοι συμπεριφοράς για την άοπλη τοιχοποιία και να καταστρωθούν αριθμητικές προσομοιώσεις που να μπορούν να αναπαράγουν επιτυχώς την συμπεριφορά δοκιμίων τοιχοποιίας που μελετήθηκαν πειραματικά. Στην συνέχεια οι πλέον επιτυχημένες αριθμητικές προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται για να επιλύσουν το πρόβλημα των τοιχοπληρωμένων πλαισίων Ο/Σ. Οι προσομοιώσεις αυτές πιστοποιούνται μέσω συγκρίσεων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα από εκτεταμένες εργαστηριακές διερευνήσεις που εξέτασαν σε βάθος την συμπεριφορά μονώροφων δίστυλων τοιχοπληρωμένων πλαισίων Ο/Σ που υποβλήθηκαν σε συνδυασμό οριζόντιων και κατακόρυφων φορτίων και που περιελάμβαναν την μεταβολή των πλέον σημαντικών παραμέτρων του προβλήματος. Μετά την επιτυχή πιστοποίηση των επιλεγμένων αριθμητικών προσομοιώσεων αυτές χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση της συμπεριφοράς πολυώροφων τοιχοπληρωμένων πλαισιακών σχηματισμών που εκτείνονταν τόσο σε δύο όσο και σε τρεις διαστάσεις. Για σχετικά εκτεταμένους πολυώροφους κτιριακούς σχηματισμούς η πλήρης αριθμητική προσομοίωση όλων των επιμέρους ανελαστικών μηχανισμών, που επιλέχθηκε από το προηγούμενο στάδιο, δεν προσφέρεται λόγω των μεγάλων υπολογιστικών απαιτήσεων. Για τον λόγο αυτό προτείνεται μια νέα υποκατάστατη ελαστική ανάλυση, με ιδιότητες δυσκαμψίας των τοιχοπληρώσεων που προκύπτουν από την πλήρη ανελαστική συμπεριφορά αντίστοιχων μονόροφων δίστυλων πλαισιακών σχηματισμών. Μέσω εκτεταμένων παραμετρικών αριθμητικών διερευνήσεων που πραγματοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα αξιόπιστο αριθμητικό εργαλείο για τον έλεγχο τόσο της συμπεριφοράς των τοιχοπληρώσεων αυτών καθ’ αυτών όσο των τοιχοπληρωμένων πλαισίων Ο/Σ. Για κάθε επιμέρους δομικό στοιχείο και για κάθε επιμέρους συμπεριφορά που συνθέτει την συμπεριφορά ενός τοιχοπληρωμένου κτιριακού σχηματισμού καταστρώθηκαν αξιόπιστες αριθμητικές προσομοιώσεις. Μέσω των αριθμητικών διερευνήσεων που εκτελέσθηκαν αναδεικνύεται ο σημαντικός ρόλος του περιμετρικού αρμού που τοποθετείται μεταξύ του περιβάλλοντος πλαισίου Ο/Σ και της τοιχοπλήρωσης. Αποδεικνύεται ότι οι μεταβολές στην δυσκαμψία και την αντοχή αυτού του περιμετρικού αρμού μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την συμπεριφορά της τοιχοπλήρωσης.