Έρευνα της μη-γραμμικής συμπεριφοράς δι-χαλύβδινων σύμμικτων τοιχωμάτων υπό εναλλασσόμενη φόρτιση

Abstract

In this Thesis, the behaviour of an innovative structural element, the composite steel-concrete-steel (SCS) wall, is investigated. The objective of the research was to evaluate basic parameters of its response, such as the influence of the steel thickness, the slenderness, the curve of response, the capacity under both compressive and bending conditions, the ductility and its failure modes. For this reason, eight (8) numerical non-linear analysis models were created, five (5) of them with increasing steel thickness from 4 to 8 mm and three (3) with increasing slenderness ratio. The geometry of these models was selected on the basis of comparing them with other similar specimens in the literature and revealing the governing flexural behaviour, as well as not hindering the possibility of future test experiments. For the finite element formulation of the numerical models, the simulation environment of ANSYS v14.0 was used. Walls were assumed as fully fixed at the bottom, generating a vertical cantilever, with a fully joined contact interface between the materials, under both monotonic and cyclic horizontal loading. Next, the ultimate compression load for distinct numerical specimens was estimated and the application of horizontal load simultaneously with escalating fractions of this ultimate load was followed.The results unveiled useful aspects of the behaviour of SCS composite walls. Specifically, four distinct stages of behaviour could be observed from the force-displacement curve and the induction of the reduction factor ‘ω’ were proposed to account, primarily, for concrete cracking. The respective capacity of the specimens under monotonic and cyclic loading highly converge, in contrast to the ductility ratio “μΔ”. Moreover, through the analysis, the flexural and shear behaviour of the wall was shown, while the results exhibit good convergence with the theoretical model, based on the plastic moment capacity, shifted by a factor “s”. Furthermore, the failure mode of the specimens was mainly the concrete crushing at the wall’s bottom, causing swelling, and the steel plate local buckling at the edge, which was in agreement with failure modes extracted from related test results. In parallel with the above, the simultaneous application of horizontal and compression loads illustrated that it is possible to stipulate bending-compression capacity curves, since there was close proximity between the results and high convergence with related numerical results by other researchers. From this curve, a rapid decline of the bending moment capacity was apparent when the respective compression load was around 0.5 times the ultimate compression load of the section; which can be considered as a compression load limit for this kind of walls. Finally, due to the shape of the failure mode, a research, based on buckling analysis features, was conducted to numerical short-scale models of steel plates and useful curves of their behaviour were extracted.It must be pointed out that there are few references or guidance in the relevant codes for their design parameters and the current study offers important information about their behaviour.

Στην παρούσα διατριβή, διερευνήθηκε η συμπεριφορά ενός καινοτόμου δομικού στοιχείου, του σύμμικτου διχαλύβδινου τοιχώματος. Βασικό σκοπό της έρευνας αποτέλεσε η εκτίμηση σημαντικών παραμέτρων λειτουργίας του, όπως η επιρροή του πάχους του χάλυβα, η λυγηρότητά του, η μορφή της καμπύλης συμπεριφοράς σε οριζόντια φόρτιση, η αλληλεπίδραση του θλιπτικού φορτίου με ροπή, το οριακό φορτίο αντοχής, η πλαστιμότητα και η μορφή αστοχίας του. Για τον λόγο αυτό, διενεργήθηκαν πολλαπλές αναλύσεις σε μη-γραμμικά αριθμητικά μοντέλα οκτώ (8) διχαλύβδινων τοιχωμάτων, πέντε (5) με μεταβλητή αναφοράς το πάχος του χάλυβα (από 4 έως 8 mm) και τρία (3) με μεταβλητή το λόγο λυγηρότητας. Η επιλογή της γεωμετρίας έγινε με κριτήρια τη σχετική σύγκριση με πειραματικά δεδομένα, την ανάδειξη της καμπτικής και διατμητικής λειτουργίας τους αλλά και τη δυνατότητα μελλοντικής διενέργειας πειραμάτων σε αντίστοιχα δοκίμια. Τα αριθμητικά αυτά μοντέλα δημιουργήθηκαν στο περιβάλλον του λογισμικού μη γραμμικής ανάλυσης ANSYS v14, με τη μορφή πεπερασμένων στοιχείων. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, περιελάμβανε τη φόρτιση των δοκιμίων, με στατική δομή προβόλων και πλήρη επαφή των υλικών, με μονότονη και με ανακυκλιζόμενη οριζόντια φόρτιση, κατόπιν τον υπολογισμό του οριακού θλιπτικού φορτίου σε διακριτά δοκίμια και τέλος την παράλληλη εφαρμογή οριζόντιας και θλιπτικής φόρτισης, ως ποσοστό του οριακού φορτίου. Η εξαγωγή των αποτελεσμάτων ανέδειξε σημαντικές πτυχές της συμπεριφοράς των διχαλύβδινων τοιχωμάτων. Συγκεκριμένα, από τη μελέτη της καμπύλης φoρτίου-μετακίνησης διακρίθηκαν τέσσερα στάδια συμπεριφοράς των διχαλύβδινων τοιχωμάτων κατά την σταδιακή αύξηση του οριζόντιου φορτίου, ενώ προτάθηκε και μέθοδος υπολογισμού της δυσκαμψίας έως το σημείο της διαρροής του χάλυβα, με την εισαγωγή μειωτικού συντελεστή «ω» στη συνισταμένη του σκυροδέματος, κυρίως λόγω ρηγμάτωσης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σχετικά μικρή διαφορά των αντοχών σε μονότονη και ανακυκλιζόμενη φόρτιση, σε αντίθεση με τον δείκτη πλαστιμότητας «μΔ», όπου παρατηρήθηκαν μεγαλύτερες αποκλίσεις μεταξύ των φορτίσεων. Συγχρόνως, μέσω της αριθμητικής ανάλυσης έγινε φανερή η φύση της λειτουργίας του τοιχώματος, όσον αφορά την καμπτική ή διατμητική του συμπεριφορά αντίστοιχα, ενώ παράλληλα τα αποτελέσματα των δοκιμίων έδειξαν καλή συσχέτιση με το θεωρητικό μοντέλο. Επιπλέον, η μορφή αστοχίας των δοκιμίων ήταν κυρίως μέσω συντριβής του θλιβόμενου άκρου, διόγκωση του σκυροδέματος και λυγισμού της πλάκας χάλυβα κορμού και άκρου, η οποία συμβαδίζει πλήρως με τις μορφές αστοχίας από αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Ταυτόχρονα, η αριθμητική ανάλυση σε επαλληλία οριζόντιας φόρτισης με θλιπτικό φορτίο έδειξε ότι είναι δυνατός ο καθορισμός κανόνων συμπεριφοράς των τοιχωμάτων με βάση την καμπύλη Μ-Ν (από το διάγραμμα διαφαίνεται η ραγδαία μείωση της καμπτικής αντοχής τους σε οριζόντια δράση, όταν το ανηγμένο αξονικό φορτίο «vd» υπερβαίνει την τιμή 0.5), καθώς τα αποτελέσματα είχαν μικρή απόκλιση τόσο μεταξύ τους όσο και με αντίστοιχη αριθμητική ανάλυση σε παρόμοιας γεωμετρίας και φύσης δοκίμια. Τέλος, λόγω της μορφής αστοχίας, γίνεται μια διερεύνηση στον λυγισμό της χαλύβδινης πλάκας των τοιχωμάτων μέσω μικρής κλίμακας ανάλυσης λυγισμού σε αριθμητικά μοντέλα και γίνεται απεικόνιση των διαγραμμάτων συμπεριφοράς τους κατά τον λυγισμό, με βάση το πάχος χάλυβα. 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.