Μη-γραμμική αριθμητική διερεύνηση σύμμικτων αντισεισμικών τοιχωματικών συστημάτων μεταλλικού καμπτικού πλαισίου με εμφατνούμενο δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

The main objective of this study was to develop reliable earthquake resistant composite structural systems, composed by steel moment frames and reinforced concrete infill walls (C-SRCWs), and to provide detailed information from numerical investigations. Its secondary aim was to study the behaviour of headed stud connectors in C-SRCW systems, and to develop mathematical models for predicting their nonlinear behaviour in C-SRCW systems. In the first part of this work, a study was conducted to explore the validity of available design procedures and empirical relationships that predict the behaviour of headed stud connectors, with application in C-SRCW systems. From research conducted within the framework of the study, a new value 0.60 was proposed for the design resistance of headed studs in dissipative zones. Another interesting finding was that the current empirical load-slip relationships, as a function of the available code shear strength equations, cannot effectively predict the headed stud behaviour for C-SRCW systems. A new mathematical model was developed for predicting the full-range load-slip behaviour of a headed stud, with application to C-SRCWs. In the second part of this work, a numerical research study was conducted to investigate the behaviour of C-SRCW systems. The main aim of the study was to develop three-dimensional finite element models that can capture and predict the performance of C-SRCW systems, subjected to a combination of gravity and in-plane lateral loading. The FE simulations have been calibrated and validated against experimental tests. The developed 3-D FE models have taken into account, both material characteristics and geometrical non-linearities and include: (1) all the boundary frame members, (2) the discrete reinforcing bars, (3) the longitudinal and transverse confinement reinforcement, (4) the concrete infill, (5) the headed studs and (6) the connection components. All the discretization models were developed using ANSYS workbench, emphasizing concrete modelling in order to study the viability of different constitutive laws and shear retention factors for the concrete compressive and tensile behaviour. A series of sensitivity studies has also been performed in order to investigate parameters, such as the Coulomb’s coefficient for the steel-concrete contacts. Based on the numerical results, for low relative displacement in the composite SRCW system, the multi-diagonal compressive struts mechanism is developed. However, as the deformations increase, the system behaviour reshapes into a main diagonal compressive strut due to the headed stud failure. The unexpected failure mechanism in the composite SRCW system, as it is revealed in the outputs of the proposed numerical modelling, has been the trigger for further investigation in order to improve the behaviour of the system. The research effort continues to improve the nonlinear behaviour of C3-SRCW composite wall systems. Numerical analyses have been carried out to study a series of basic influence parameters. The results and findings of this numerical study are indicative of the effectiveness of the plastic moment ratio, and demonstrate that the C-SRCW systems show better performance when an appropriate value of 1.30 is defined.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύτηκε καθολικά και τοπικά το σύνθετο πρόβλημα της ανελαστικής συμπεριφοράς των σύμμικτων τοιχωματικών συστημάτων μεταλλικού καμπτικού πλαισίου με εμφατνούμενο δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος (C-SRCW), τόσο για τη μονότονη όσο και για την εναλλασσόμενη φόρτιση. Αρχικά, αφού παρατέθηκαν συγκριτικά και περιγραφικά οι υφιστάμενες κανονιστικές σχέσεις αντοχής ήλου κεφαλής, για συμβατικές διαμέτρους και συνηθισμένες κατηγορίες σκυροδέματος και οι διαθέσιμες εμπειρικές σχέσεις τέμνουσας δύναμης – ολίσθησης (Q-Δ) του ήλου κεφαλής, αξιολογούνται βάσει πειραματικών δεδομένων τα όρια εφαρμογής τους σε σύμμικτα τοιχωματικά συστήματα τύπου C-SRCW: (α) των κανονιστικών σχέσεων αντοχής του ήλου κεφαλής, (β) της επιρροής του μειωτικού συντελεστή από τον Ευρωκώδικα 8 για τον σχεδιασμό ήλων κεφαλής σε ζώνες απόσβεσης ενέργειας, (γ) των διαθέσιμων εμπειρικών σχέσεων τέμνουσας δύναμης – ολίσθησης του ήλου κεφαλής. Σύμφωνα με τα ερευνητικά ευρήματα, καταδεικνύονται οι αδυναμίες της πρακτικής εφαρμογής των ανωτέρω, για την περιγραφή της συμπεριφοράς των ήλων κεφαλής σε σύμμικτα τοιχωματικά συστήματα. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν τα προαναφερθέντα, η ερευνητική προσπάθεια προτείνει: (α) νέο μειωτικό συντελεστή με τιμή 0.60 για τους ήλους κεφαλής στις πλάστιμες ζώνες των σύμμικτων τοιχωματικών συστημάτων, (β) νέα προσεγγιστική σχέση τέμνουσας δύναμης – ολίσθησης του ήλου κεφαλής, η οποία συντηρητικά και προς την πλευρά της ασφάλειας μπορεί να εφαρμοστεί, καλύπτοντας το κανονιστικό κενό στον σχεδιασμό των σύμμικτων τοιχωματικών συστημάτων καμπτικού μεταλλικού πλαισίου με εμφατνούμενο δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος. Συνεχίζοντας, καταστρώνεται και τεκμηριώνεται ένα αξιόπιστο σχήμα αριθμητικής προσομοίωσης με τέτοιον τρόπο, ώστε να λαμβάνονται υπ’ όψιν όλα τα μη-γραμμικά φαινόμενα του φυσικού προβλήματος. Το προτεινόμενο σχήμα αριθμητικής προσομοίωσης είναι ικανό να περιγράψει τον πολύπλοκο μηχανισμό αλληλεπίδρασης που αναπτύσσεται μεταξύ των επί μέρους μελών, τα οποία συνθέτουν ένα τέτοιο σύστημα, κατά το στάδιο ενεργοποίησης της ανελαστικής τους λειτουργίας. Βάσει των αποτελεσμάτων εξάγονται μία σειρά από συμπεράσματα και προτάσεις σχετικά: (α) με τις εξιδανικευμένες συνθήκες μη μονότονης υλικής συμπεριφοράς τους σκυροδέματος (για την περιοχή της θλίψης και του εφελκυσμού), του δομικού χάλυβα στο μεταλλικό καμπτικό πλαίσιο, των ράβδων οπλισμού και των κοχλιών, (β) τη χρήση της τεχνικής των στοιχείων συνδέσμου για τους ήλου κεφαλής, (γ) την αλληλεπίδραση των δομικών μελών χάλυβα – σκυροδέματος και τη θεώρηση των κατάλληλων συνθηκών μονόπλευρης επαφής στη διεπιφάνεια των δύο σωμάτων. Σύμφωνα με τα αριθμητικά αποτελέσματα, παρατηρείται ότι για χαμηλή στάθμη σχετικής μετατόπισης στο σύμμικτο τοιχωματικό σύστημα, αναπτύσσεται ο επιθυμητός μηχανισμός πολλαπλών κεκλιμένων θλιπτήρων. Καθώς όμως αυξάνονται οι εγκάρσιες παραμορφώσεις, η συμπεριφορά αυτού του συστήματος αναδιαμορφώνεται σε ομοκεντρικό διαγώνιο θλιπτήρα, εξαιτίας της αστοχίας των ήλων κεφαλής και της προσπάθειας του μεταλλικού πλαισίου να παραμορφώνεται καμπτικά, ενώ το εμφατνούμενο δομικό στοιχείο οπλισμένου σκυροδέματος παραμορφώνεται διατμητικά. Τέλος, με σκοπό την αποφυγή του μη επιθυμητού αυτού μηχανισμού παραλαβής οριζόντιας τέμνουσας, διενεργείται μία εκτεταμένη παραμετρική μελέτη μίας σειράς βασικών παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος. Από τα ερευνητικά ευρήματα, συνάγονται μία σειρά από συμπεράσματα και προτείνεται η χρησιμοποίηση κατάλληλου δείκτη ροπών πλαστικοποίησης με τιμή 1.30. Η επίδραση αυτού του προτεινομένου δείκτη, παρουσιάζεται στα εξαγόμενα αποτελέσματα, όπου καταφαίνεται η βελτίωση της μετελαστικής συμπεριφοράς του σύμμικτου τοιχωματικού συστήματος αναφοράς