Model generalisane plastičnosti kod nelinearne analize prostornih okvirnih konstrukcija

Abstract

Predmet disertacije je efikasna nelinearna analiza okvirnih konstrukcija grednim konačnim elementima sa težištem na modeliranju materijalnih nelinearnosti. Geometrijska nelinearnost se uzima u obzir poznatim metodama. U tezi su analizirana i unapređena dva gredna konačna elementa: fiber element i element koncentrisane plastičnosti i napisan je sopstveni kompjuterski program kojim su elementi implementirani u postojeći open-source program za analizu konstrukcija – FEDEASLab. Tokom rada na tezi, ostvareni su sledeći ciljevi. Izvršena je optimizacija integracije poprečnog preseka čeličnih i armirano-betonskih elemenata u cilju poboljšanja efikasnosti fiber elemenata kako pri cikličnom pseudo-statičkom opterećenju, tako i pri nelinearnoj dinamičkoj analizi pojedinih delova i čitave konstrukcije. Formulisana su praktična pravila i definisane jasne smernice za diskretizaciju poprečnog preseka čeličnog I profila i pravougaonog armiranobetonskog preseka, u zavisnosti od vrste analize koja se sprovodi i željene tačnosti. Razvijen je novi konačni elementa iz grupe elemenata koncentrisane plastičnosti koji prevazilazi ograničenja postojećeg elasto-plastičnog elementa kao što su nemogućnost opisivanja postepene plastifikacije poprečnog preseka i opisivanja ponašanja materijala sa ojačanjem. Pri tome, element je zadržao svoju veliku kompjutersku efikasnost koja je osnovna prednost elemenata koncentrisane plastičnosti. Za određivanje stanja elementa razvijena su dva algoritma prema “general closest point projection” i “convex cutting plane” return mapping algoritmima i analizirana je zavisnost konvergencije od implementiranog algoritma. Mogućnosti novog elementa za modeliranje okvirnih konstrukcija pri delovanju statičkog i dinamičkog opterećenja su potvrđene kroz niz numeričkih primera. Specijalna pažnja je posvećena primeni novog GP elementa za modeliranje CFT stubova spregnutih konstrukcija...

The objective of this study is the efficient nonlinear analysis of space frames with beam/column finite elements considering material nonlinearity. Geometric nonlinearity is taken into account using known methods. Two different nonlinear beam/column elements are analyzed and improved: a fiber element and a concentrated plasticity element. Own computer code is written and implemented into the existing matlab toolbox for nonlinear structural analysis – FEDEASLab. During this study, the following objectives are achieved. By the optimization of the number and position of material integration points at monitored steel and reinforced concrete cross-sections, the significant improvement in efficiency of the fiber beam-column element under cyclic static and dynamic loading conditions is gained. The practical rules for an efficient discretization of steel wide-flange sections and rectangular reinforced-concrete sections are defined, depending on the desired level of accuracy and the type of analysis. In addition, the new three-dimensional nonlinear beam-column element is formulated. The element is of concentrated plasticity type and overcomes the common limitations of the existing elasto-plastic elements, such as the inability to describe gradual plastification of a cross-section and the hardening behavior. Also, the element keeps its high computational efficiency which is one benefit of concentrated plasticity elements. Two algorithms for element state determination are developed in accordance with the general closest point and convex cutting plane return mapping algorithms. Their influence on element convergation is studied. The ability of the element to simulate frame behavior is confirmed on a number of numerical examples. The special attention is devoted to model CFT composite column behavior...