Στατική και δυναμική ανάλυση κατασκευών από ωπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων διανεμημένης ρηγμάτωσης

Abstract

Η προσομοίωση κατασκευών από ωπλισμένο σκυρόδεμα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων αποτελεί αντικείμενο έρευνας εδώ και αρκετές δεκαετίες. Κύριος στόχος των ερευνητών είναι η ακριβής προσομοίωση της εντόνως μη γραμμικής συμπεριφοράς του σκυροδέματος, προκειμένου να είναι δυνατή η πρόβλεψη των φορτίων κατάρρευσης κατασκευών στις οποίες το φαινόμενο της θραύσης έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στην οριακή κατάσταση αστοχίας. Οι πρώτες εφαρμογές περιορίζονταν σε δισδιάστατα προσομοιώματα και μονοτονικές φορτίσεις, έκτοτε όμως, έχουν γίνει σημαντικά βήματα για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς του σκυροδέματος υπό οποιαδήποτε τυχούσα ιστορία φόρτισης με χρήση τρισδιάστατων αριθμητικών αναλύσεων. Δεδομένου του μεγάλου αριθμού προσομοιώσεων που προτείνεται στη βιβλιογραφία, δεν είναι ακόμα ξεκάθαρο ποια μέθοδος είναι ρεαλιστικότερη από τις υπόλοιπες. Η κάθε ερευνητική ομάδα επιδιώκει την επιβεβαίωση του προσομοιώματος που αυτή προτείνει και μόνο, παρουσιάζοντας ένα αριθμό επιτυχημένων αναλύσεων που βρίσκονται κοντά στις πειραματικές δοκιμές. Είναι έτσι σαφές ότι μια συγκριτική αποτίμηση των διαφόρων προσομοιωμάτων δεν είναι εύκολο να διεξαχθεί. Εξάλλου, μια απόπειρα ενσωμάτωσης πολλών προσομοιωμάτων στον ίδιο κώδικα πεπερασμένων στοιχείων είναι ιδιαίτερα δύσκολη δεδομένου ότι οι διαδικασίες που προτείνονται για την προσομοίωση της ρηγμάτωσης ξεφεύγουν κατά πολύ από τους κλασσικούς αλγόριθμους μη γραμμικής ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία κατά τους οποίους ένα μοντέλο υλικού εισάγεται απλά μέσω κάποιας καταστατικής σχέσης τάσεων - παραμορφώσεων. Στην εργασία αυτή τέθηκε ως πρώτος στόχος η βιβλιογραφική διερεύνηση των διαφόρων προσεγγίσεων μη γραμμικής ανάλυσης φορέων σκυροδέματος με δισδιάστατα και τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία. Η επιδίωξη λεπτομερούς αποτύπωσης της συμπεριφοράς και της καταλληλότητας όλων των προσομοιωμάτων θα ήταν υπερβολικά αισιόδοξη, και συνεπώς η παρούσα εργασία περιορίζεται σε μια ενδεικτική αναφορά αυτών που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Κατά τη βιβλιογραφική διερεύνηση του θέματος διαπιστώθηκε ότι οι δημοσιευμένες εφαρμογές που αφορούν τρισδιάστατες αναλύσεις υπό ανακυκλιζόμενες στατικές και δυναμικές φορτίσεις με χρήση τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων είναι ιδιαίτερα περιορισμένες. Ταυτόχρονα, οι λίγες αυτές εφαρμογές έχουν γίνει με προσομοιώσεις κατά τις οποίες οι οπλισμοί έχουν θεωρηθεί πλήρως συνεργαζόμενοι με το υλικό του σκυροδέματος, ενώ τα στοιχεία ράβδου που χρησιμοποιήθηκαν για τους οπλισμούς αυτούς έπρεπε οπωσδήποτε να διέρχονται από τους κόμβους των πεπερασμένων στοιχείων του σκυροδέματος. Ως δεύτερος στόχος τέθηκε η ανάπτυξη μιας σχετικά απλής διαδικασίας, σύμφωνα με την οποία να δίνεται η δυνατότητα να διεξαχθούν αναλύσεις στις οποίες να αναιρούνται οι παραπάνω περιορισμοί. Παρ’ όλο που το προσομοίωμα υλικού που επιλέχθηκε ως βάση για την ανάπτυξη των διαδικασιών βασίζεται σε απλές παραδοχές, τα αποτελέσματα που εξάγονται είναι στις περισσότερες περιπτώσεις ρεαλιστικά και μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά ενός φορέα Ω.Σ.