Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση προκατασκευασμένου σύμμεικτου δομικού στοιχείου
Creators: name: Γεωργαντζιά, Ευαγγελία Βάιου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Προκατασκευή
Χαλύβδινος κόμβος
Μη-γραμμική ανάλυση
Prefabrication
Steel joint
Non-linear analysis

description: Τα τελευταία χρόνια έχει διαπιστωθεί αυξημένο ενδιαφέρον για προκατασκευασμένες οικίες εξαιτίας σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν σε σύγκριση με τις συμβατικές. Μερικά από αυτά είναι το χαμηλότερο κόστος (έως 40%) το οποίο είναι προκαθορισμένο πριν την έναρξη των εργασιών, η ταχύτητα παράδοσης του τελικού κτιρίου, η απαλλαγή από το άγχος της κατασκευής όσον αφορά το συντονισμό των συνεργείων και την εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες και η ελεγχόμενη ποιότητα κατασκευής αφού τα επιμέρους δομικά στοιχεία κατασκευάζονται στο εργοστάσιο και απλώς συναρμολογούνται στο εργοτάξιο. Στα πλαίσια του παραπάνω κλίματος αυξημένης ζήτησης η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς σύμμεικτων προκατασκευασμένων δομικών στοιχείων υπό μονοτονική και ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Το 1ο Κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί ιστορική εξέλιξη των προκατασκευασμένων δομικών στοιχείων ξεκινώντας από το 1867 οπότε και κατασκευάστηκαν τα πρώτα δομικά στοιχεία από σκυρόδεμα και καταλήγοντας στις σύγχρονες αυτοματοποιημένες διαδικασίες παραγωγής. Στο 2ο Κεφάλαιο περιγράφεται ο ρόλος των συνδέσεων των δομικών στοιχείων σε προκατασκευασμένα από σκυρόδεμα κτίρια και τονίζεται η σημαντική επιρροή τους στην απόκριση του συνόλου της κατασκευής. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα προκατασκευασμένα δομικά συστήματα τα οποία εφαρμόζονται ανάλογα με τη λειτουργία του κτιρίου και η φιλοσοφία σχεδιασμού έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η δομική συνέχεια του συστήματος και η ασφαλής ροή των τάσεων από της ανωδομή στη θεμελίωση. Στο 4ο Κεφάλαιο παρατίθενται οι βασικοί κανόνες για το σχεδιασμό των συνδέσεων καθώς μία σύνδεση αποτελείται από πολλά επιμέρους τμήματα τα οποία αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Στο 5ο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη σεισμική απόκριση και το σχεδιασμό των προκατασκευών έναντι σεισμικής δράσης. Σκοπός είναι να επεξηγηθεί ότι οι εν λόγω κατασκευές όταν υποφέρουν από σεισμικά φορτία απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή και ειδικές προσεγγίσεις κατά το σχεδιασμό τους. Στο 6ο Κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική διερεύνηση της εκτός επιπέδου συμπεριφοράς ενός προκατασκευασμένου δομικού στοιχείου τοίχου υπό μονοτονική φόρτιση καθώς επίσης της απόκρισης δύο χαλύβδινων κόμβων με διαφορετική διάταξη κοχλιών υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Αφού γίνει η παράθεση των πειραματικών αποτελεσμάτων, ακολουθεί ο σχολιασμός και τα συμπεράσματα της κάθε διερεύνησης. Στο 7ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται με αναλυτικό τρόπο η αριθμητική διερεύνηση της εκτός επιπέδου συμπεριφοράς του προκατασκευασμένου δομικού στοιχείου τοίχου υπό μονοτονική φόρτιση. Συγκεκριμένα, βαθμονομείται προσομοίωμα μη γραμμικής ανάλυσης με χρήση του λογισμικού ABAQUS v.6.13 και διεξάγεται αναλυτική παραμετρική διερεύνηση. Αφού γίνει η παράθεση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, ακολουθεί ο σχολιασμός και τα συμπεράσματα της εν λόγω διερεύνησης. Έπειτα ακολουθεί η σύγκριση μεταξύ πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων ώστε να διαπιστωθεί ο βαθμός αξιοπιστίας του προσομοιώματος. Κατόπιν, υιοθετώντας τις ίδιες παραδοχές διερευνείται αριθμητικά το συγκεκριμένο δομικό στοιχείο υπό διαγώνιο εφελκυσμό και θλίψη. Ακολούθως, παρατίθενται τα αποτελέσματα, σχολιάζονται και εξάγονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα για καθεμία από τις δύο διερευνήσεις. Στο 8ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται με αναλυτικό τρόπο η αριθμητική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς των δύο χαλύβδινων κόμβων υπό μονοτονική φόρτιση. Αφού γίνει η παράθεση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, ακολουθεί ο σχολιασμός και τα συμπεράσματα της διερεύνησης κάθε κόμβου . Έπειτα ακολουθεί η σύγκριση μεταξύ πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων ώστε να διαπιστωθεί ο βαθμός προσέγγισης της πραγματικής συμπεριφοράς. Στο 9ο Κεφάλαιο, εφόσον έχει διαπιστωθεί η αυξημένη αξιοπιστία των παραπάνω αριθμητικών προσομοιωμάτων, πραγματοποιείται αριθμητική διερεύνηση ενός πρωτότυπου προκατασκευασμένου δομικού στοιχείου σε πραγματικές διαστάσεις υπό μονοτονική φόρτιση, το οποίο συντίθεται από τα επιμέρους δομικά στοιχεία που μελετήθηκαν παραπάνω. Αφού γίνει η παράθεση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, ακολουθεί ο σχολιασμός και τα συμπεράσματα της εν λόγω διερεύνησης σχετικά με τον τρόπο αστοχίας και το μέγιστο αναλαμβανόμενο φορτίο. Τέλος, στο 10ο Κεφάλαιο παρατίθενται συνολικά τα συμπεράσματα όλων των πειραματικών και αριθμητικών διερευνήσεων καθώς επίσης και οι στόχοι της μελλοντικής έρευνας στο συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο.
description: Last years there has been an increased interest for prefabricated buildings attributed to their significant merits contrarily to the corresponding constructed by the conventional way. Some of these merits are the lower cost (up to 40%) which is predetermined before the beginning of the construction work, the high speed of the construction procedure, the absence of stress in terms of the coordination of the construction gangs as well as the dependence on the weather conditions and the controlled construction quality since the structural components are manufactured at the factory and they are assembled on site. Within the framework of the aforementioned increased demand, the present thesis aims to investigate experimentally and numerically the structural response of prefabricated composite structural elements subjected to monotonic and cyclic loading. The 1st Chapter of the present thesis is an historical advancement of prefabricated structural members starting in 1867 when the first prefabricated concrete structural elements were constructed and ending with the contemporary automated production processes. The 2nd Chapter describes the role of the connections emphasizing their significant influence on the overall structural response. The 3rd Chapter presents in detail the prefabricated structural systems which are applied according to the purposes of the building as well as the design philosophy so that the continuity and the stress paths from the infrastructure to the foundation to be assured. The 4th Chapter illustrates the main connection design principles as a connection consists of several components interacting each other during the loading. The 5th Chapter deals with the seismic response and design of prefabricated structures against seismic loading. The scope is to be clearly stated that this type of structures when undergoes seismic loading requires special attention and specific approaches during the design. The 6th Chapter describes the out-of-plane experimental investigation of a prefabricated panel subjected to monotonic loading as well as the structural response of two steel joints with different bolt arrangement under cyclic loading. Afterwards, the experimental results are presented and are followed by the respective remarks and conclusions. The 7th Chapter presents the out-of-plane numerical investigation of the prefabricated panel under monotonic loading. In particular, a finite element model (FEM) is calibrated using ABAQUS v.6.13 software package and a detailed parametric study is performed. Thereupon, the experimental results are presented and are followed by the respective remarks and conclusions. A following comparison between the experimental and numerical results is conducted in order the reliability level of the simulation model to be evaluated. In the meantime, the same assumptions were adopted, and the prefabricated panel was studied by numerical means under diagonal tension and compression as well. The following results, remarks and conclusions are noted for both numerical investigations. Similarly, in the 8th Chapter, the numerical investigation of the structural response of the two steel joints with different bolt arrangement under monotonic loading is analytically presented. The following results, remarks and conclusions are noted for both investigated steel joints. A following comparison between the experimental and numerical results is conducted in order the reliability level of the simulation model to be assessed. Upon the demonstration of the improved reliability level of the above simulation models, in 9th Chapter a numerical investigation of an innovative prefabricated structural element composed of the aforementioned investigated components in real dimensions under monotonic load is carried out. The corresponding results are presented followed by remarks and conclusions related to the predicted failure modes and the ultimate capacity. Finally, the 10th Chapter summarizes the conclusions of the total experimental and numerical investigations performed on the present thesis and indicates the future experimental work on this field as well.