Στατική Ανελαστική Ανάλυση Φορέων ΩΣ με την Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Λυκίδης Γεώργιος                                  
Επιβλέπων Καθηγητής: Σπηλίοπουλος Κ., Επ. Καθηγητής       
Ημερομηνία : Οκτώβριος 2002

 Ιδιαίτερη προσπάθεια έχει γίνει από τους ερευνητές τις τελευταίες δεκαετίες για την ανάπτυξη μαθηματικών προσομοιωμάτων της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς και της θραύσης ψαθυρών υλικών όπως είναι το σκυρόδεμα και η πέτρα ως δομικό υλικό της φέρουσας τοιχοποιίας. Τα προσομοιώματα αυτά  μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μη γραμμικές αναλύσεις με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: (α) με θεώρηση διανεμημένης ρωγμής και (β) με θεώρηση διακριτής ρωγμής.

Η μέθοδος της διακριτής ρωγμής μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν προβλέπεται η ύπαρξη μιας ή περισσότερων πεπερασμένου (μικρού) αριθμού ρωγμών στην κατασκευή που αναλύεται. Το μοντέλο προβλέπει την αλλαγή του δικτύου των πεπερασμένων στοιχείων σε κάθε σημείο της ανάλυσης που ανοίγει μια ρωγμή προκειμένου να προσομοιώσει την ασυνέχεια που δημιουργείται με διαφορετικούς ασύνδετους κόμβους εκατέρωθεν αυτής. Η δυσκολία επέκτασής της σε τρεις διαστάσεις καθώς και το μεγάλο υπολογιστικό κόστος που απαιτεί η συνεχής επαναδιαμόρφωση του δικτύου των πεπερασμένων στοιχείων την καθιστούν δύσκολα εφαρμόσιμη.

Στην μέθοδο της διανεμημένης ρωγμής, η οποία χρησιμοποιήθηκε στην εργασία αυτή, η θραύση σε κάθε σημείο ολοκλήρωσης προσομοιώνεται με απώλεια ακαμψίας σε μια συγκεκριμένη περιοχή κατά την διεύθυνση της μέγιστης κύριας εφελκυστικής τάσης, κάθετα στο επίπεδο της θραύσης. Ένας άπειρος αριθμός παράλληλων ρωγμών μικρού εύρους θεωρούνται διανεμημένες μέσα στο σημείο ολοκλήρωσης του πεπερασμένου στοιχείου. Οι ρωγμές προσομοιώνονται σε ένα σταθερό δίκτυο πεπερασμένων στοιχείων που δεν αλλάζει κατά την διάρκεια της ανάλυσης. Η εξάπλωσή τους, προσομοιώνοντας μείωση της αντοχής του υλικού, προκαλούν την σταδιακή μείωση της ακαμψίας.  Πολλοί ερευνητές χρησιμοποιούν μη γραμμικές καταστατικές σχέσεις τάσεων - παραμορφώσεων με φθίνοντα κλάδο χαλάρωσης (strain softening). Η λογική αυτή δεν ακολουθήθηκε στο προσομοίωμα που ανέπτυξαν οι Κωτσοβός και Pavlovic1, θεωρώντας ότι οι φθιτοί κλάδοι που παρουσιάζονται στα πειραματικά αποτελέσματα πολλών ερευνητών είναι περισσότερο αποτέλεσμα της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιείται και όχι ιδιότητα του υλικού. Συνεπώς στην θεώρησή τους δεν χρησιμοποιούν τους φθιτούς κλάδους αλλά απότομο μηδενισμό της ακαμψίας κάθετα στο επίπεδο της διανεμημένης ρωγμής. 

To συγκεκριμένο μαθηματικό προσομοίωμα σκυροδέματος, μαζί με την επαναληπτική διαδικασία Newton – Raphson για την επίλυση των μη γραμμικών εξισώσεων όπως αναπτύχθηκαν από τους Κωτσοβό και Pavlovic, ενσωματώθηκαν στο κώδικα υπάρχοντος λογισμικού με την ονομασία FE77. Στην τελική του μορφή το λογισμικό δίνει την δυνατότητα για στατικές μη γραμμικές αναλύσεις φορέων ωπλισμένου σκυροδέματος με χρήση τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων υπό μονοτονικά φορτία χρησιμοποιώντας την μέθοδο της διανεμημένης ρωγμής. Τα πειραματικά αποτελέσματα από δοκιμές σε συνεχείς δοκούς υπό εγκάρσιο σημειακό φορτίο συγκρίθηκαν με τις αναλυτικές προβλέψεις που έδωσε το λογισμικό με χρήση του συγκεκριμένου προσομοιώματος. Οι συγκρίσεις επιβεβαιώνουν την αξιοπιστία του μοντέλου στον προσδιορισμού του οριακού φορτίου αστοχίας για φορείς ωπλισμένου σκυροδέματος.