Αριθμητική διερεύνηση της μη-γραμμικής συμπεριφοράς διχαλύβδινων σύμμικτων τοιχωμάτων
Creators: name: Ελματζόγλου, Μιχαέλα Ι.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Σύμμικτα τοιχώματα
Σύνδεσμοι διάτμησης
Ήλοι κεφαλής
Πεπερασμένα στοιχεία
Steel-plate composite shear wall
Shear connectors
Headed studs
Finite element modelling

description: Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η συμπεριφορά ενός καινοτόμου δομικού στοιχείου, του σύμμικτου διχαλύβδινου τοιχώματος. Βασικό σκοπό της έρευνας αποτέλεσε η εκτίμηση της συμπεριφοράς των συνδέσμων διάτμησης σε ένα Σ.Δ. τοίχωμα, γιατί ο ρόλος τους είναι κρίσιμος για την εξασφάλιση της πλαστιμότητας και της σύμμικτης δράσης. Για τη συγκεκριμένη διερεύνηση κρίθηκε απαραίτητη η κατανόηση της λειτουργίας των Σ.Δ. τοιχωμάτων και η ανάδειξη των κρίσιμων παραμέτρων λειτουργίας για κάθε περίπτωση φόρτισης. Συνολικά μελετήθηκε η απόκριση των Σ.Δ. τοιχωμάτων σε θλιπτική, σεισμική, εκτός επιπέδου και θερμική φόρτιση. Για αυτό τον λόγο, δημιουργήθηκαν δύο αριθμητικά μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων με την παραδοχή μη γραμμικών υλικών και γεωμετρίας. Στο πρώτο μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν απλοποιητικές παραδοχές για τη μοντελοποίηση των υλικών και των στοιχείων ενός Σ.Δ. τοιχώματος, ώστε να είναι δυνατή η εκτενής έρευνα της συμπεριφοράς των τοιχωμάτων υπό αξονική θλίψη σε φυσιολογική και σε αυξημένη θερμοκρασία και η ανάδειξη των κρίσιμων παραμέτρων για τη λειτουργικότητα της διατμητικής σύνδεσης. Έγινε ένας μεγάλος αριθμός παραμετρικών αναλύσεων με στόχο την εξαγωγή αντιπροσωπευτικών αποτελεσμάτων. Ο όγκος των παραμετρικών αναλύσεων σε συνδυασμό με την ανάγκη ρύθμισης των παραμέτρων στη διεπιφάνεια χάλυβα-σκυροδέματος για τη μελέτη της σύμμικτης λειτουργίας αποτέλεσαν τους λόγους σύνθεσης ενός κώδικα για την εισαγωγή και την επίλυση των αριθμητικών μοντέλων. Ακόμη, μελετήθηκε η επίδραση των γεωμετρικών ατελειών και της αύξησης της θερμοκρασίας στον τοπικό λυγισμό των χαλύβδινων πλακών και στη θλιπτική αντοχή των Σ.Δ. τοιχωμάτων. Επιπλέον, μελετήθηκε αριθμητικά το επίπεδο της μερικής σύμμικτης δράσης στα Σ.Δ. τοιχώματα και η επιρροή του στην καμπτική δυσκαμψία των τοιχωμάτων. Διερευνήθηκε επίσης η επιρροή της απόστασης μεταξύ των συνδέσμων διάτμησης στο βαθμό σύμμικτης δράσης. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε το δεύτερο πιο σύνθετο μοντέλο στο οποίο μοντελοποιήθηκαν όλες οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες. Η χρήση του δεύτερου μοντέλου επικεντρώθηκε στη διεξοδική ανάλυση της συμπεριφοράς, της κατανομής τάσεων, των τελικών αστοχιών των συνδέσμων διάτμησης και στην πρόταση μέτρων για τη διαφύλαξη της πλαστιμότητας των τοιχωμάτων. Τέλος, αναπτύχθηκε μία αναλυτική προσέγγιση με βάση την ανάλυση της διατομής ενός Σ.Δ. τοιχώματος για την προδιαστασιολόγηση ενός Σ.Δ. τοιχώματος. Η αξιοπιστία της μεθόδου αποδείχθηκε μέσω της σύγκρισης των αναλυτικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης. Μία αξιόπιστη και απλή μέθοδος προτείνεται για τον υπολογισμό της μονότονης απόκρισης φορτίου-μετατόπισης ενός Σ.Δ. τοιχώματος. Η αξιοπιστία του προτεινόμενου αναλυτικού μοντέλου διαπιστώθηκε με τη χρήση των αποτελεσμάτων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια, παρουσιάστηκε η αναλυτική προσομοίωση της απόκρισης των Σ.Δ. τοιχωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και αναπτύχθηκε μία αναλυτική προσέγγιση για τον υπολογισμό της αρχικής δυσκαμψίας ενός Σ.Δ. τοιχώματος. Σημειώνεται ότι δεν υπάρχουν αναλυτικές οδηγίες σχεδιασμού των σύμμικτων διχαλύβδινων τοιχωμάτων στους σύγχρονους κανονισμούς, για τον λόγο αυτό η έρευνα και η ανάγκη για την επιστημονική τους προσέγγιση και τεκμηρίωση καθίσταται επίκαιρη. Με την παρούσα διατριβή παρέχονται σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά τους, ενώ παράλληλα θα μπορούσε να ενθαρρύνει προσπάθειες προσέγγισης του αντικειμένου, με διενέργεια πειραμάτων και οριοθέτηση κανόνων συμπεριφοράς ικανών να διασφαλίσουν τη χρήση και το σχεδιασμό τους.
description: In this Thesis, the behaviour of an innovative structural element, the double-steel plate concrete (SC) composite shear wall, is investigated. The main purpose of the research was to evaluate the performance of shear connectors in SC walls, because their role is crucial for the ductility and the composite action in SC walls. For this investigation it was necessary to understand the performance of SC walls under different loadings and to highlight critical operating parameters. Overall, the response of SC walls under compressive, seismic, out of plane and thermal loading has been studied. For this reason, two numerical finite element models have been created with the assumption of nonlinear materials and geometry. In the first model, simple assumptions were used to model the materials and the elements of a SC wall so as to investigate the behaviour of SC walls under axial compression at normal and at elevated temperature and to highlight the critical parameters for the functionality of the shear connection. Several parametric analyses have been performed to end up to representative results. The volume of parametrical analysis models in combination with the need to adjust the parameters at the steel-concrete interface for the investigation of the shear connection performance were the reasons for creating a code for the introduction and the analysis of the numerical models. Furthermore, the influence of geometric imperfections and temperature increase on the local buckling of the steel plates and on the compressive strength of the steel structures has been studied. In addition, the level of partial composite action and its influence on the bending stiffness of SC walls has been studied. The influence of the distance between the shear connectors to the degree of composite action has also been investigated. Then, the second model was used, in which all construction details have been modeled. The use of the second model was focused on the analysis of the behaviour, stress distribution, failure modes of shear connectors and the proposal of measures to preserve wall ductility. Finally, an analytical approach was developed based on cross-sectional analysis for the preliminary dimensioning of SC walls. The reliability of the method was demonstrated by comparing the analytical results with the results of the parametric analysis. A reliable and simple method has been proposed for calculating the monotonic load-displacement response of SC walls. The reliability of the proposed analytical model was determined using the finite element analysis results. Then, the analytical simulation of the SC wall response has been presented and an analytical approach was developed to calculate the initial stiffness of SC walls. It must be pointed out that there are few references and guidance in the relevant codes for their design parameters and for this reason research on composite SCS walls is very important. The current study offers significant information about their behaviour, while it could trigger greater scientific interest in this sector, especially as far as test experiments and stipulating limits for their design and application are concerned.