Longitudinal bar buckling behavior

Reinforced concrete columns might fail because of buckling of the longitudinal reinforcing bar when exposed to earthquake motions. Depending on the hoop stiffness and the length-over-diameter ratio, the instability can be local (in between two subsequent hoops) or global (the buckling length comprises several hoop spacings). To get insight into the topic, an extensive literary research of 19 existing models has been carried out including different approaches and assumptions which yield different results. Finite element fiberanalysis was carried out to study the local buckling behavior with varying length-over-diameter and initial imperfection-over-diameter ratios. The comparison of the analytical results with some experimental results shows good agreement before the post buckling behavior undergoes large deformation. Furthermore, different global buckling analysis cases were run considering the influence of different parameters; for certain hoop stiffnesses and length-over-diameter ratios local buckling was encountered. A parametric study yields an adimensional critical stress in function of a stiffness ratio characterized by the reinforcement configuration. Colonne in cemento armato possono collassare per via dell’instabilità dell’armatura longitudinale se sottoposte all’azione di un sisma. In funzione della rigidezza dei ferri trasversali e del rapporto lunghezza d’inflessione-diametro, l’instabilità può essere locale (fra due staffe adiacenti) o globale (la lunghezza d’instabilità comprende alcune staffe). Per introdurre alla materia, è proposta un’esauriente ricerca bibliografica di 19 modelli esistenti che include approcci e ipotesi differenti che portano a risultati distinti. Tramite un’analisi a fibre e elementi finiti si è studiata l’instabilità locale con vari rapporti lunghezza d’inflessione-diametro e imperfezione iniziale-diametro. Il confronto dei risultati analitici con quelli sperimentali mostra una buona coincidenza fino al raggiungimento di grandi spostamenti. Inoltre, il caso d’instabilità globale è stato simulato valutando l’influenza di vari parametri; per certe configurazioni di rigidezza delle staffe e lunghezza d’inflessione-diametro si hanno ottenuto casi di instabilità locale. Uno studio parametrico ha permesso di ottenere un carico critico adimensionale in funzione del rapporto di rigidezza dato dalle caratteristiche dell’armatura.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Crack measurements in structural concrete with D.I.C. system and validation of a tensile constitutive law

Compared with other mature engineering disciplines, fracture mechanics of concrete is still a developing field and very important for structures like bridges subject to dynamic loading. An historical point of view of what done in the field is provided and then the project is presented. The project presents an application of the Digital Image Correlation (DIC) technique for the detection of cracks at the surface of concrete prisms (500mmx100mmx100mm) subject to flexural loading conditions (Four Point Bending test). The technique provide displacement measurements of the region of interest and from this displacement field information about crack mouth opening (CMOD) are obtained and related to the applied load. The evolution of the fracture process is shown through graphs and graphical maps of the displacement at some step of the loading process. The study shows that it is possible with the DIC system to detect the appearance and evolution of cracks, even before the cracks become visually detectable.

Pushover analysis of an existing reinforced concrete bridge:Jamboree Road Overcrossing in Irvine, California

The work for the present thesis started in California, during my semester as an exchange student overseas. California is known worldwide for its seismicity and its effort in the earthquake engineering research field. For this reason, I immediately found interesting the Structural Dynamics Professor, Maria Q. Feng's proposal, to work on a pushover analysis of the existing Jamboree Road Overcrossing bridge. Concrete is a popular building material in California, and for the most part, it serves its functions well. However, concrete is inherently brittle and performs poorly during earthquakes if not reinforced properly. The San Fernando Earthquake of 1971 dramatically demonstrated this characteristic. Shortly thereafter, code writers revised the design provisions for new concrete buildings so to provide adequate ductility to resist strong ground shaking. There remain, nonetheless, millions of square feet of non-ductile concrete buildings in California. The purpose of this work is to perform a Pushover Analysis and compare the results with those of a Nonlinear Time-History Analysis of an existing bridge, located in Southern California. The analyses have been executed through the software OpenSees, the Open System for Earthquake Engineering Simulation. The bridge Jamboree Road Overcrossing is classified as a Standard Ordinary Bridge. In fact, the JRO is a typical three-span continuous cast-in-place prestressed post-tension box-girder. The total length of the bridge is 366 ft., and the height of the two bents are respectively 26,41 ft. and 28,41 ft.. Both the Pushover Analysis and the Nonlinear Time-History Analysis require the use of a model that takes into account for the nonlinearities of the system. In fact, in order to execute nonlinear analyses of highway bridges it is essential to incorporate an accurate model of the material behavior. It has been observed that, after the occurrence of destructive earthquakes, one of the most damaged elements on highway bridges is a column. To evaluate the performance of bridge columns during seismic events an adequate model of the column must be incorporated. Part of the work of the present thesis is, in fact, dedicated to the modeling of bents. Different types of nonlinear element have been studied and modeled, with emphasis on the plasticity zone length determination and location. Furthermore, different models for concrete and steel materials have been considered, and the selection of the parameters that define the constitutive laws of the different materials have been accurate. The work is structured into four chapters, to follow a brief overview of the content. The first chapter introduces the concepts related to capacity design, as the actual philosophy of seismic design. Furthermore, nonlinear analyses both static, pushover, and dynamic, time-history, are presented. The final paragraph concludes with a short description on how to determine the seismic demand at a specific site, according to the latest design criteria in California. The second chapter deals with the formulation of force-based finite elements and the issues regarding the objectivity of the response in nonlinear field. Both concentrated and distributed plasticity elements are discussed into detail. The third chapter presents the existing structure, the software used OpenSees, and the modeling assumptions and issues. The creation of the nonlinear model represents a central part in this work. Nonlinear material constitutive laws, for concrete and reinforcing steel, are discussed into detail; as well as the different scenarios employed in the columns modeling. Finally, the results of the pushover analysis are presented in chapter four. Capacity curves are examined for the different model scenarios used, and failure modes of concrete and steel are discussed. Capacity curve is converted into capacity spectrum and intersected with the design spectrum. In the last paragraph, the results of nonlinear time-history analyses are compared to those of pushover analysis.

Non linear application of an in-house finite elements software

Questa tesi si pone come obiettivo l'analisi delle componenti di sollecitazione statica di un serbatoio, in acciaio API 5L X52, sottoposto a carichi di flessione e pressione interna attraverso il programma agli elementi finiti PLCd4, sviluppato presso l'International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE - Barcelona). Questo tipo di analisi rientra nel progetto europeo ULCF, il cui traguardo è lo studio della fatica a bassissimo numero di cicli per strutture in acciaio. Prima di osservare la struttura completa del serbatoio è stato studiato il comportamento del materiale per implementare all'interno del programma una nuova tipologia di curva che rappresentasse al meglio l'andamento delle tensioni interne. Attraverso il lavoro di preparazione alla tesi è stato inserito all'interno del programma un algoritmo per la distribuzione delle pressioni superficiali sui corpi 3D, successivamente utilizzato per l'analisi della pressione interna nel serbatoio. Sono state effettuate analisi FEM del serbatoio in diverse configurazioni di carico ove si è cercato di modellare al meglio la struttura portante relativa al caso reale di "full scale test". Dal punto di vista analitico i risultati ottenuti sono soddisfacenti in quanto rispecchiano un corretto comportamento del serbatoio in condizioni di pressioni molto elevate e confermano la bontà del programma nell'analisi computazionale.

Study of the mechanisms of shear transfer in fiber-reinforced concrete elements

matlab functions for the validation of push-off tests results

Interaction between axial force, shear and bending moment in reinforced concrete elements

Il collasso di diverse colonne, caratterizzate da danneggiamenti simili, quali ampie fessure fortemente inclinate ad entrambe le estremità dell’elemento, lo schiacciamento del calcestruzzo e l’instabilità dei ferri longitudinali, ha portato ad interrogarsi riguardo gli effetti dell’interazione tra lo sforzo normale, il taglio ed il momento flettente. Lo studio è iniziato con una ricerca bibliografica che ha evidenziato una sostanziale carenza nella trattazione dell’argomento. Il problema è stato approcciato attraverso una ricerca di formule della scienza delle costruzioni, allo scopo di mettere in relazione lo sforzo assiale, il taglio ed il momento; la ricerca si è principalmente concentrata sulla teoria di Mohr. In un primo momento è stata considerata l’interazione tra solo due componenti di sollecitazione: sforzo assiale e taglio. L’analisi ha condotto alla costruzione di un dominio elastico di taglio e sforzo assiale che, confrontato con il dominio della Modified Compression Field Theory, trovata tramite ricerca bibliografica, ha permesso di concludere che i risultati sono assolutamente paragonabili. L’analisi si è poi orientata verso l’interazione tra sforzo assiale, taglio e momento flettente. Imponendo due criteri di rottura, il raggiungimento della resistenza a trazione ed a compressione del calcestruzzo, inserendo le componenti di sollecitazione tramite le formule di Navier e Jourawsky, sono state definite due formule che mettono in relazione le tre azioni e che, implementate nel software Matlab, hanno permesso la costruzione di un dominio tridimensionale. In questo caso non è stato possibile confrontare i risultati, non avendo la ricerca bibliografica mostrato niente di paragonabile. Lo studio si è poi concentrato sullo sviluppo di una procedura che tenta di analizzare il comportamento di una sezione sottoposta a sforzo normale, taglio e momento: è stato sviluppato un modello a fibre della sezione nel tentativo di condurre un calcolo non lineare, corrispondente ad una sequenza di analisi lineari. La procedura è stata applicata a casi reali di crollo, confermando l’avvenimento dei collassi.