Autor(es):
Varma, Rajendra Kumar 
Data: 2013
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/1822/24411
Origem: RepositóriUM - Universidade do Minho
Detalhes do Documento
Numerical models for the simulation of the cyclic behaviour of RC structures in...
Descrição
Tese de doutoramento em Estrutural Engenharia This work deals with material modelling and numerical implementation for nonlinear finite element analysis of reinforced concrete (RC) structures. Since the behaviour of concrete and steel being crucial for any RC structure under loading, uniaxial cyclic constitutive models for both were implemented in FEMIX, finite element software. Various advanced materials have been developed with specific purposes, like fibre reinforced concrete (FRC) to improve the resistance to cracking and crack propagation, carbon fibre reinforced polymer (CFRP) for strengthening and retrofitting. The post cracking behaviour of FRC can range from strain-softening to strain-hardening. A parametric study was undertaken to study the effect of post-cracking behaviour of FRC sections, with the aim of proposing design methodology using DOCROS, software for design of cross-sections. In the ambit of parametric study, DOCROS and postprocessing software to estimate force-deflection relationship of the beams failing in flexure were developed further. To improve the confinement of RC columns, embracing them with wet lay-up CFRP sheets is one of the modern and superior techniques. The analytical relationship was proposed for uniaxial constitutive model of CFRP confined concrete under monotonic and cyclic loading. For this analytical approach, an extensive database derived from experiments carried out by various researchers was used, and the proposed cyclic constitutive law was implemented in FEMIX and validated with experimental tests carried by independent research. The uniaxial constitutive laws of concrete, steel and CFRP confined concrete were implemented in FEMIX under fibre model, which is based on Timoshenko beam theory. The fibre model assumes that the cross-section can be divided into longitudinal fibres of steel, concrete, CFRP confined concrete etc, and perfect bind exist among fibres. However, perfect bond between concrete and steel cannot be guaranteed always, hence to idealize such material interface, bond-slip laws are developed. Special procedure is followed to simulate interface behaviour in combination with fibre approach, which is critical to simulate bar-slippage and pinching of columns. A biaxial concrete model under the framework of the fracture mechanics was developed, to simulate the RC elements under plane stress field. The concrete response is described by a nonlinear orthotropic model, whose axes of orthotropy are parallel to the principal strain directions. Equivalent uniaxial stress-strain relationships of the concrete are used in orthogonal direction in scope of rotating crack model. To supplement it, a smeared reinforcement model for steel bars is also developed, in context of plane stress elements/Mindlin shells. All the implemented models were validated with experimental results. O presente trabalho encontra-se contextualizado na modelação de leis constitutivas materiais e na implementação de modelos numéricos na análise não linear de estruturas de betão armado. Em virtude do comportamento do betão e do aço serem cruciais na resposta de estruturas de betão armado sob carregamento, leis uniaxiais cíclicas destes materiais foram implementas no software de elementos finitos FEMIX. Vários tipos de materiais têm vindo a ser desenvolvidos com propósitos específicos, tal como o betão reforçado com fibras (FRC – fiber reinforced concrete) para aumentar a resistência à fendilhação e sua propagação, polímeros reforçados com fibras (FRP – fiber reinforced polymer) no reforço e reabilitação de estruturas. O comportamento pós-fendilhado do FRP pode variar de strain-softening até strainhardening. Um estudo paramétrico foi realizado para avaliar o efeito do comportamento pós-fendilhado de seções de FRC, com o objetivo de propor uma metodologia de dimensionamento com recurso ao software de seções planas DOCROS. No âmbito deste estudo paramétrico, para além do DOCROS foi também usado um software de pósprocessamento para a estimativa da relação força-deslocamento de vigas com rotura por flexão. Para aumentar o confinamento de pilares de betão armado, o recurso ao encamisamento destes com recurso a mantas de CFRP constitui uma das técnicas atualmente mais promissora. Uma expressão analítica foi proposta na previsão do comportamento uniaxial de estruturas de betão confinadas com mantas de CFRP sob carregamentos monotónicos e cíclicos. Na definição desta lei constitutiva, alguns dos seus parâmetros foram calibrados com recurso a uma extensa base de dados com resultados experimentais; posteriormente a lei foi implementada no FEMIX tendo sido validada com recurso a investigação independente. As leis constitutivas uniaxiais para o betão, aço e betão confinado com CFRP, implementadas no FEMIX, foram também usadas num modelo de fibras no âmbito do elemento finito de viga (formulação de Timoshenko). O modelo de fibras assume que a seção transversal pode ser dividida em fibras longitudinais de armadura, betão, betão confinado, etc., com aderência perfeita entre materiais. Contudo, a aderência perfeita entre betão e armaduras nem sempre pode ser garantida, sendo por isso necessário idealizar um elemento de interface, para o qual foi desenvolvida uma lei tensão de aderência versus deslizamento. Procedimentos especiais foram adotados na simulação do comportamento da interface combinado com o modelo de fibras, o qual é crítico na correta simulação do deslizamento de armaduras e do efeito de pinching em pilares. Foi desenvolvido um modelo constitutivo biaxial para o betão baseado na mecânica da fratura com intuito de simular estruturas submetidas a estados planos de tensão. A resposta do betão é descrita por um modelo não linear ortotrópico, nos quais os eixos de ortotropia são paralelos às direções das extensões principais. Relações uniaxiais tensão-extensão equivalentes para o betão foram usadas nas direções de ortotropia no âmbito do rotating crack model. Complementarmente, um modelo de reforço distribuído para a simulação de armaduras foi desenvolvido no contexto da simulação de estruturas laminares (estado plano de tensão e cascas). Todos os modelos foram validados com recurso a resultados experimentais.
Tese de doutoramento em Estrutural Engenharia This work deals with material modelling and numerical implementation for nonlinear finite element analysis of reinforced concrete (RC) structures. Since the behaviour of concrete and steel being crucial for any RC structure under loading, uniaxial cyclic constitutive models for both were implemented in FEMIX, finite element software. Various advanced materials have been developed with specific purposes, like fibre reinforced concrete (FRC) to improve the resistance to cracking and crack propagation, carbon fibre reinforced polymer (CFRP) for strengthening and retrofitting. The post cracking behaviour of FRC can range from strain-softening to strain-hardening. A parametric study was undertaken to study the effect of post-cracking behaviour of FRC sections, with the aim of proposing design methodology using DOCROS, software for design of cross-sections. In the ambit of parametric study, DOCROS and postprocessing software to estimate force-deflection relationship of the beams failing in flexure were developed further. To improve the confinement of RC columns, embracing them with wet lay-up CFRP sheets is one of the modern and superior techniques. The analytical relationship was proposed for uniaxial constitutive model of CFRP confined concrete under monotonic and cyclic loading. For this analytical approach, an extensive database derived from experiments carried out by various researchers was used, and the proposed cyclic constitutive law was implemented in FEMIX and validated with experimental tests carried by independent research. The uniaxial constitutive laws of concrete, steel and CFRP confined concrete were implemented in FEMIX under fibre model, which is based on Timoshenko beam theory. The fibre model assumes that the cross-section can be divided into longitudinal fibres of steel, concrete, CFRP confined concrete etc, and perfect bind exist among fibres. However, perfect bond between concrete and steel cannot be guaranteed always, hence to idealize such material interface, bond-slip laws are developed. Special procedure is followed to simulate interface behaviour in combination with fibre approach, which is critical to simulate bar-slippage and pinching of columns. A biaxial concrete model under the framework of the fracture mechanics was developed, to simulate the RC elements under plane stress field. The concrete response is described by a nonlinear orthotropic model, whose axes of orthotropy are parallel to the principal strain directions. Equivalent uniaxial stress-strain relationships of the concrete are used in orthogonal direction in scope of rotating crack model. To supplement it, a smeared reinforcement model for steel bars is also developed, in context of plane stress elements/Mindlin shells. All the implemented models were validated with experimental results. O presente trabalho encontra-se contextualizado na modelação de leis constitutivas materiais e na implementação de modelos numéricos na análise não linear de estruturas de betão armado. Em virtude do comportamento do betão e do aço serem cruciais na resposta de estruturas de betão armado sob carregamento, leis uniaxiais cíclicas destes materiais foram implementas no software de elementos finitos FEMIX. Vários tipos de materiais têm vindo a ser desenvolvidos com propósitos específicos, tal como o betão reforçado com fibras (FRC – fiber reinforced concrete) para aumentar a resistência à fendilhação e sua propagação, polímeros reforçados com fibras (FRP – fiber reinforced polymer) no reforço e reabilitação de estruturas. O comportamento pós-fendilhado do FRP pode variar de strain-softening até strainhardening. Um estudo paramétrico foi realizado para avaliar o efeito do comportamento pós-fendilhado de seções de FRC, com o objetivo de propor uma metodologia de dimensionamento com recurso ao software de seções planas DOCROS. No âmbito deste estudo paramétrico, para além do DOCROS foi também usado um software de pósprocessamento para a estimativa da relação força-deslocamento de vigas com rotura por flexão. Para aumentar o confinamento de pilares de betão armado, o recurso ao encamisamento destes com recurso a mantas de CFRP constitui uma das técnicas atualmente mais promissora. Uma expressão analítica foi proposta na previsão do comportamento uniaxial de estruturas de betão confinadas com mantas de CFRP sob carregamentos monotónicos e cíclicos. Na definição desta lei constitutiva, alguns dos seus parâmetros foram calibrados com recurso a uma extensa base de dados com resultados experimentais; posteriormente a lei foi implementada no FEMIX tendo sido validada com recurso a investigação independente. As leis constitutivas uniaxiais para o betão, aço e betão confinado com CFRP, implementadas no FEMIX, foram também usadas num modelo de fibras no âmbito do elemento finito de viga (formulação de Timoshenko). O modelo de fibras assume que a seção transversal pode ser dividida em fibras longitudinais de armadura, betão, betão confinado, etc., com aderência perfeita entre materiais. Contudo, a aderência perfeita entre betão e armaduras nem sempre pode ser garantida, sendo por isso necessário idealizar um elemento de interface, para o qual foi desenvolvida uma lei tensão de aderência versus deslizamento. Procedimentos especiais foram adotados na simulação do comportamento da interface combinado com o modelo de fibras, o qual é crítico na correta simulação do deslizamento de armaduras e do efeito de pinching em pilares. Foi desenvolvido um modelo constitutivo biaxial para o betão baseado na mecânica da fratura com intuito de simular estruturas submetidas a estados planos de tensão. A resposta do betão é descrita por um modelo não linear ortotrópico, nos quais os eixos de ortotropia são paralelos às direções das extensões principais. Relações uniaxiais tensão-extensão equivalentes para o betão foram usadas nas direções de ortotropia no âmbito do rotating crack model. Complementarmente, um modelo de reforço distribuído para a simulação de armaduras foi desenvolvido no contexto da simulação de estruturas laminares (estado plano de tensão e cascas). Todos os modelos foram validados com recurso a resultados experimentais.
Tipo de Documento
Tese de Doutoramento
Idioma Inglês
Orientador(es) Barros, Joaquim A. O.; Sena-Cruz, José
Idioma Inglês
Orientador(es) Barros, Joaquim A. O.; Sena-Cruz, José
| Financiadores do RCAAP | |||||||
|
|
|
|
|
|
||