Numerical and experimental investigations of nonlinear behavior of RC members and slab-column assemblies in bridges

Abstract

Reinforced concrete (RC) bridges constitute a significant part of the infrastructure inventory around the world. The understanding of the different failure mechanisms of their components and the development of accurate analysis tools for their simulation are important to assess their nonlinear behavior during earthquake events. This dissertation presents two studies investigating the nonlinear behavior of RC bridge components and assemblies using large-scale experimental testing and nonlinear finite-element (FE) modeling. For these studies, suitable constitutive models for concrete and the bond-slip behavior of reinforcing bars embedded in concrete have been identified and calibrated, and a constitutive model that accounts for the low-cycle fatigue behavior of steel has been developed and implemented in a finite element analysis program.In the first study, the impact of the spacing of longitudinal bars on the performance of circular RC piles under lateral loading was investigated. Two full-scale RC pile specimens were tested under lateral loading.The second study was aimed to determine the minimum development length required for headed bars in slab-column joints of RC bridges, so that the thickness of the slab does not have to be larger than that required for normal traffic loads. Three full-scale RC slab-column specimens, with embedment lengths of the headed bars smaller than the minimum allowed in current design provisions, were tested.In both studies, nonlinear FE models were developed to evaluate the performance of the test specimens, and to conduct numerical parametric investigations examining the influence of different design details. The capability of the constitutive models in simulating the nonlinear behavior of RC members is established through the FE analyses. Finally, based on the experimental and numerical findings of these studies, recommendations and possible changes for the design of RC piles in terms of the spacing of the longitudinal reinforcement and of slab-column joints with headed bars are provided.

Οι γέφυρες από οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελούν σημαντικό μέρος των υποδομών σε όλο τον κόσμο. Η κατανόηση των διαφορετικών μηχανισμών αστοχίας των στοιχείων τους και η ανάπτυξη ακριβών εργαλείων ανάλυσης για την προσομοίωσή τους είναι σημαντική για την αξιολόγηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς τους κατά τη διάρκεια σεισμών. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει δύο μελέτες που διερευνούν τη μη γραμμική συμπεριφορά στοιχείων και συστημάτων γεφυρών από οπλισμένο σκυρόδεμα χρησιμοποιώντας πειραματικές δοκιμές μεγάλης κλίμακας και μοντελοποίηση με μη γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία Για αυτές τις μελέτες, έχουν εντοπιστεί και βαθμονομηθεί κατάλληλα καταστατικά μοντέλα σκυροδέματος.Στην πρώτη μελέτη, διερευνήθηκε η επίδραση της απόστασης των ράβδων διαμήκους οπλισμού στην απόδοση κυκλικών πασσάλων υπό πλευρική φόρτιση. Δύο πλήρους κλίμακας δοκίμια πασσάλων δοκιμάστηκαν υπό πλευρική φόρτιση.Η δεύτερη μελέτη είχε ως στόχο τον προσδιορισμό του ελάχιστου μήκους ανάπτυξης οπλισμού που απαιτείται για τις κεφαλές ράβδους σε κόμβους πλάκας-υποστυλώματος γεφυρών, έτσι ώστε το πάχος της πλάκας να μην χρειάζεται να είναι μεγαλύτερο από αυτό που απαιτείται για κανονικά φορτία κυκλοφορίας. Δοκιμάστηκαν τρία δοκίμια πλάκας- υποστυλώματος πλήρους κλίμακας, με μήκη ενσωμάτωσης των ράβδων με κεφαλή μικρότερα από το ελάχιστο επιτρεπόμενο στις τρέχουσες διατάξεις σχεδιασμού.Και στις δύο μελέτες, αναπτύχθηκαν μη γραμμικά μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων για την αξιολόγηση της απόδοσης των πειραματικών δοκιμίων και για τη διεξαγωγή αριθμητικών αναλύσεων που εξετάζουν την επίδραση διαφορετικών λεπτομερειών σχεδιασμού. Τέλος, με βάση τα πειραματικά και αριθμητικά ευρήματα αυτών των μελετών, παρέχονται συστάσεις και πιθανές αλλαγές για το σχεδιασμό πασσάλων από οπλισμένο σκυρόδεμα ως προς την απόσταση του διαμήκους οπλισμού και των κόμβων πλακών-υποστυλωμάτων με κεφαλές ράβδους.