Numerical simulation of steel member response under strong cyclic loading

Abstract

The present study examines the behavior of steel structures subjected to strong cyclic loading, associated with severe plastic deformations at critical locations. In particular, it aims at the detailed examination of mechanical behavior of tubular members and welded tubular joints, using numerical simulation tools, with emphasis on the constitutive model. It should be noted though that the numerical models described within this study can be applied to any type of steel members, regardless the geometry. A key feature of this study is the theoretical formulation and the numerical implementation of the Tseng-Lee model (Tseng & Lee, 1983). This model is considered as an advanced plasticity model, representative of the models adopting the “bounding surface” concept. The theoretical formulation and the numerical integration scheme are described in detail. The material model is implemented in ABAQUS, developing a user-material subroutine UMAT. Finally, modifications of the model that enhance its predicting capabilities are presented. The capabilities of this model are also presented through the use of illustrative examples.

Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η λεπτομερής εξέταση της δομικής συμπεριφοράς και η εκτίμηση της οριακής αντοχής (σχετικά λεπτότοιχων) επιμηκών μεταλλικών κελυφών (π.χ. δομικών στοιχείων ή τμημάτων αγωγών) που υπόκεινται σε έντονη κυκλική φόρτιση συσχετισμένη με ανελαστική συμπεριφορά του υλικού. Η έρευνα διεξάγεται με αριθμητικά εργαλεία που βασίζονται στη μη-γραμμική ανάλυση των κατασκευών με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Ο κύριος στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός καταστατικού μοντέλου κυκλικής πλαστικότητας που περιγράφει επαρκώς τη συμπεριφορά του υλικού στην ανελαστική περιοχή, καθώς και η ενσωμάτωση του μοντέλου αυτού σε έναν μη-γραμμικό κώδικα πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια, τα αριθμητικά εργαλεία που έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιούνται για την επίλυση τυπικών προβλημάτων που σχετίζονται με τη δομική συμπεριφορά και αστοχία μεταλλικών στοιχείων υπό κυκλική φόρτιση.Παρά το γεγονός ότι η μεθοδολογία αντιμετώπισης των προβλημάτων κυκλικής καταπόνησης μεταλλικών στοιχείων που εξετάζεται μπορεί να εφαρμοστεί σε δομικά στοιχεία τυχαίας γεωμετρίας, στην παρούσα εργασία δίνεται έμφαση στη μελέτη επιμηκών κυλινδρικών στοιχείων κυκλικής διατομής. Τέτοια στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως σε δικτυωτές κατασκευές που χρησιμοποιούν σωληνωτά στοιχεία (θαλάσσιες πλατφόρμες, ιστοί κ.τ.λ.), σε κτηριακές κατασκευές όπου χρησιμοποιούνται κυκλικά υποστυλώματα ή κυκλικοί σύνδεσμοι δυσκαμψίας, σε βιομηχανικά στοιχεία σωληνώσεων καθώς και χαλύβδινα στοιχεία αγωγών (επίγειων και υποθαλάσσιων). Κομβικό σημείο της παρούσας διατριβής αποτελεί η αναλυτική εξέταση του καταστατικού μοντέλου κυκλικής πλαστικότητας Tseng-Lee. Το συγκεκριμένο μοντέλο αποτελεί χαρακτηριστικό δείγμα των καταστατικών μοντέλων που υιοθετούν την έννοια της «οριακής επιφάνειας». Οι καταστατικές σχέσεις με βάση τις οποίες περιγράφεται η συμπεριφορά του υλικού υπό συνθήκες έντονης κυκλικής φόρτισης στην πλαστική περιοχή παρουσιάζονται λεπτομερώς. Ακολούθως παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία ενσωμάτωσης του μοντέλου σε πηγαίο κώδικα πεπερασμένων στοιχείων και στο πρόγραμμα ABAQUS. Τέλος, προτείνεται μια σειρά τροποποιήσεων που ενισχύουν την ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει με ακρίβεια την συμπεριφορά του υλικού υπό τις παραπάνω συνθήκες. Με βάση το παραπάνω καταστατικό μοντέλο διεξάγεται η μελέτη μιας σειράς προβλημάτων που σχετίζονται με φαινόμενα κυκλικής πλαστικότητας μεταλλικών στοιχείων έχοντας ως βάση προγενέστερα πειραματικά και αριθμητικά αποτελέσματα.