Αριθμητική προσομοίωση της συμπεριφοράς ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος για δομικές εφαρμογές

Abstract

The objective of the present dissertation is the numerical simulation of the behaviour of a specific type of fibre-reinforced cementitious matrix (FRCM), which is consisted of a high-strength cementitious matrix in which hooked-end steel fibres are added. The study is realized with the help of the Finite Element Method (FEM). Τhe target is the development of efficient and reliable numerical models for the simulation of each problem treated in the present study. First, the behaviour of the composite material is studied through the pull-out test of a single hooked-end steel fibre from the high-strength cementitious matrix and an accurate three-dimensional F.E. model is formulated. For the formulation of the model, the experimental results obtained by a series of pull-out tests of straight steel fibres from the cementitious matrix are utilized. Then the results obtained by the simulation model of the pull-out of the hooked-end steel fibre are compared to the respective experimental ones. The three-dimensional numerical model is also used for the simulation of the pull-out behaviour of inclined fibres, as well as of fibres with different geometries. Finally, a simpler but reliable two-dimensional numerical model is proposed. Then, the bending tests of different types of FRCM beams are numerically simulated. More specifically, the bending behaviour of a FRCM without conventional reinforcement and a similar one with longitudinal and transverse reinforcement is numerically investigated. For comparison reasons a conventional RC beam is also numerically simulated. Moreover, the bending behaviour of RC beams strengthened by relatively thin FRCM jackets is studied. A new method for the numerical simulation of the composite material is proposed. The validity of the proposed methodology is established by comparing the numerical results with the corresponding experimental ones. Finally, a technique is proposed for the efficient simulation of the under study FRCM in common structural analysis programs. The proposed methodology is then applied in an example where the structural members of an existing RC building are strengthened by the FRCM jackets and some practical solutions are given for the problem of consideration of the load-carrying capacity reduction of the strengthened member, due to the loss of the contribution of the fibres.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος που προκύπτει από την προσθήκη χαλύβδινων ινών με αγκιστροειδή άκρα σε μήτρα τσιμεντοκονιάματος υψηλής αντοχής. Η μελέτη πραγματοποιείται μέσω της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Στόχος είναι η ανάπτυξη αξιόπιστων αριθμητικών προσομοιωμάτων για την ανάλυση των επιμέρους προβλημάτων που αντιμετωπίζονται στο πλαίσιο της διατριβής. Αρχικά, η συμπεριφορά του σύνθετου υλικού προσεγγίζεται μέσω της δοκιμής εξόλκευσης μεμονωμένης χαλύβδινης ίνας με αγκιστροειδή άκρα από μήτρα τσιμεντοκονιάματος υψηλής αντοχής, με τη βοήθεια ακριβούς τρισδιάστατου αριθμητικού προσομοιώματος. Για τη μόρφωση του προσομοιώματος αυτού αξιοποιούνται δεδομένα από πειραματικές δοκιμές εξόλκευσης ευθύγραμμης χαλύβδινης ίνας από την τσιμεντοειδή μήτρα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση του τρισδιάστατου προσομοιώματος αξιολογούνται μέσω της σύγκρισής τους με τα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών εξόλκευσης ινών με αγκιστροειδή άκρα από τη μήτρα τσιμεντοκονιάματος. Το τρισδιάστατο αριθμητικό προσομοίωμα χρησιμοποιείται και για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς ινών που εξολκεύονται με διαφορετικές γωνίες προσανατολισμού αλλά και για την εκτίμηση της απόκρισης σε εξόλκευση ινών με διαφορετικές γεωμετρίες. Τέλος, προτείνεται ένα απλούστερο αλλά αξιόπιστο δισδιάστατο προσομοίωμα. Ακολούθως, διερευνάται η συμπεριφορά σε κάμψη δοκών από ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα μέσω κατάλληλων αριθμητικών προσομοιωμάτων. Συγκεκριμένα, μελετώνται οι περιπτώσεις δοκών από ινοπλισμένο τσιμεντοκονίαμα χωρίς συμβατικό οπλισμό, με διαμήκη και εγκάρσιο οπλισμό, καθώς και δοκός οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) που χρησιμοποιείται ως δοκίμιο αναφοράς. Επιπλέον, προσομοιώνεται αριθμητικά η συμπεριφορά σε κάμψη δοκών Ο/Σ που ενισχύονται με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος. Ταυτόχρονα προτείνεται μια νέα μέθοδος για την αριθμητική προσομοίωση του σύνθετου υλικού. Τα αριθμητικά προσομοιώματα όλων των προαναφερθέντων περιπτώσεων αξιολογούνται μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων τους με τα αντίστοιχα πειραματικά που προέκυψαν από πειραματικές δοκιμές κάμψης. Τέλος, πραγματοποιείται εφαρμογή της ενίσχυσης των μελών μιας κατασκευής Ο/Σ με μανδύα ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος, έναντι σεισμού. Η εφαρμογή πραγματοποιείται με τη βοήθεια προγραμμάτων στατικής ανάλυσης κατασκευών ευρείας χρήσης και προτείνεται μια νέα τεχνική για την ορθή προσομοίωση του σύνθετου υλικού στα προγράμματα αυτά.