Detailed three - dimensional nonlinear hybrid simulation for the analysis of large - scale reinforced concrete structures
Authors: Μάρκου Γεώργιος 
Published: January 2014

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με τριδιάστατα υβριδικά προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων. Η έρευνα αυτή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη νέων ή βελτίωση υπαρχουσών μεθόδων προσομοίωσης κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, με σκοπό τον ορθότερο και ασφαλέστερο σχεδιασμό των κατασκευών αυτών. Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αναπτύχθηκε ένας κώδικας βασισμένος στις αρχές του εγγενούς αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού (ReConAn: Reinforced Concrete Analysis) ο οποίος περιέχει στις βιβλιοθήκες του όλα τα πεπερασμένα στοιχεία και καταστατικούς νόμους υλικών με τους οποίους πραγματεύεται η ερευνητική αυτή εργασία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο νέος κώδικας είναι αρκετά γρήγορος σε σχέση με τα εμπορικά λογισμικά (Femap with NXNastran, Opensees). Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό μετεπεξεργασίας (ReConAn Eye) το οποίο επιτρέπει την αναπαράσταση της ρηγμάτωσης. Ο κώδικας ReConAn, ενσωματώνει προσομοιώματα τριδιάστατων εξαεδρικών πεπερασμένων στοιχείων για τη λεπτομερή προσομοίωση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Παράλληλα, έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης του φαινομένου της ρηγμάτωσης μέσω της θεώρησης της μεθόδου της διανεμημένης ρωγμής (smeared crack approach) η οποία συνδυάζεται με τον αλγοριθμικά βελτιωμένο καταστατικό νόμο υλικού σκυροδέματος των Kotsovos & Pavlovic ο οποίος ενσωματώνεται για πρώτη φορά σε τριδιάστατα εξαεδρικά πεπερασμένα στοιχεία 8 κόμβων, γεγονός το οποίο καθιστούν την προτεινόμενη μεθοδολογία προσομοίωσης ταχύτατη. Οι οπλισμοί προσομοιώνονται ως εγκιβωτισμένα στοιχεία δοκού (στοιχείο δυνάμεων ΝΒCFB) τα οποία λαμβάνουν υπόψη την διατμητική και καμπτική στιβαρότητα των ράβδων οπλισμού. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων και η υπολογιστική συμπεριφορά του προτεινόμενου προσομοιώματος συγκρίθηκαν με άλλες μεθοδολογίες προσομοίωσης οι οποίες ενσωματώνονται σε εμπορικά λογισμικά πακέτα που υπάρχουν διεθνώς (ΑΤΕΝΑ, ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS). Αναπτύχθηκε μία νέα μεθοδολογία αναγνώρισης εγκιβωτισμένων ραβδωτών στοιχείων οπλισμού εντός εξαεδρικών στοιχείων. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την ελεύθερη τοποθέτηση των οπλισμών εντός των εξαεδρικών στοιχείων και απαιτεί ελάχιστο υπολογιστικό χρόνο για την αναγνώριση και δημιουργία του δικτύου των εγκιβωτισμένων πεπερασμένων στοιχείων οπλισμού. Αναγνωρίστηκε η αδυναμία των λεπτομερών τριδιάστατων προσομοιωμάτων να μοντελοποιήσουν μεγάλης κλίμακας κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα λόγω του μεγάλου υπολογιστικού κόστους και αναπτύχθηκε ένα νέο τριδιάστατο μη-γραμμικό υβριδικό προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων για την ανάλυση κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Για τον σκοπό αυτό, έγινε η σύνδεση του φυσικού στοιχείου δυνάμεων ΝΒCFB οπλισμένου σκυροδέματος με το εξαεδρικό στοιχείο σκυροδέματος με εγκιβωτισμένες ράβδους. Η λογική διακριτοποίησης μίας κατασκευής με υβριδικό προσομοίωμα, προβλέπει την προσομοίωση των κατασκευαστικών μελών τα οποία αναμένεται να αναπτύξουν σημαντικές μη-γραμμικότητες μέσω τριδιάστατων λεπτομερών προσομοιωμάτων και τα υπόλοιπα κατασκευαστικά μέλη μέσω στοιχείων δοκού-υποστυλώματος.