Shear behaviour of reinforced cconcrete slab under concentrated load: an investigation through non-linear and sequentially linear analysis

English: The assessment of safety in existing bridges and viaducts led the Ministry of Public Works of the Netherlands to finance a specific campaing aimed at the study of the response of the elements of these infrastructures. Therefore, this activity is focused on the investigation of the behaviour of reinforced concrete slabs under concentrated loads, adopting finite element modeling and comparison with experimental results. These elements are characterized by shear behaviour and crisi, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challeng, due to the brittle behavior combined with three-dimensional effects. The numerical modeling of the failure is studied through Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative Finite Element method, with respect to traditional incremental and iterative approaches. The comparison between the two different numerical techniques represents one of the first works and comparisons in a three-dimensional environment. It's carried out adopting one of the experimental test executed on reinforced concrete slabs as well. The advantage of the SLA is to avoid the well known problems of convergence of typical non-linear analysis, by directly specifying a damage increment, in terms of reduction of stiffness and resistance in particular finite element, instead of load or displacement increasing on the whole structure . For the first time, particular attention has been paid to specific aspects of the slabs, like an accurate constraints modeling and sensitivity of the solution with respect to the mesh density. This detailed analysis with respect to the main parameters proofed a strong influence of the tensile fracture energy, mesh density and chosen model on the solution in terms of force-displacement diagram, distribution of the crack patterns and shear failure mode. The SLA showed a great potential, but it requires a further developments for what regards two aspects of modeling: load conditions (constant and proportional loads) and softening behaviour of brittle materials (like concrete) in the three-dimensional field, in order to widen its horizons in these new contexts of study.

Non linear response of planar asymmetric systems

The seismic behaviour of one-storey asymmetric structures has been studied since 1970s by a number of researches studies which identified the coupled nature of the translational-to-torsional response of those class of systems leading to severe displacement magnifications at the perimeter frames and therefore to significant increase of local peak seismic demand to the structural elements with respect to those of equivalent not-eccentric systems (Kan and Chopra 1987). These studies identified the fundamental parameters (such as the fundamental period TL normalized eccentricity e and the torsional-to-lateral frequency ratio Ωϑ) governing the torsional behavior of in-plan asymmetric structures and trends of behavior. It has been clearly recognized that asymmetric structures characterized by Ωϑ >1, referred to as torsionally-stiff systems, behave quite different form structures with Ωϑ <1, referred to as torsionally-flexible systems. Previous research works by some of the authors proposed a simple closed-form estimation of the maximum torsional response of one-storey elastic systems (Trombetti et al. 2005 and Palermo et al. 2010) leading to the so called “Alpha-method” for the evaluation of the displacement magnification factors at the corner sides. The present paper provides an upgrade of the “Alpha Method” removing the assumption of linear elastic response of the system. The main objective is to evaluate how the excursion of the structural elements in the inelastic field (due to the reaching of yield strength) affects the displacement demand of one-storey in-plan asymmetric structures. The system proposed by Chopra and Goel in 2007, which is claimed to be able to capture the main features of the non-linear response of in-plan asymmetric system, is used to perform a large parametric analysis varying all the fundamental parameters of the system, including the inelastic demand by varying the force reduction factor from 2 to 5. Magnification factors for different force reduction factor are proposed and comparisons with the results obtained from linear analysis are provided.

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.

Shear behavior of reinforced concrete slabs under concentrated load: an investigation through Sequentially Linear Analysis

ABSTRACT (italiano) Con crescente attenzione riguardo al problema della sicurezza di ponti e viadotti esistenti nei Paesi Bassi, lo scopo della presente tesi è quello di studiare, mediante la modellazione con Elementi Finiti ed il continuo confronto con risultati sperimentali, la risposta in esercizio di elementi che compongono infrastrutture del genere, ovvero lastre in calcestruzzo armato sollecitate da carichi concentrati. Tali elementi sono caratterizzati da un comportamento ed una crisi per taglio, la cui modellazione è, da un punto di vista computazionale, una sfida piuttosto ardua, a causa del loro comportamento fragile combinato a vari effetti tridimensionali. La tesi è incentrata sull'utilizzo della Sequentially Linear Analysis (SLA), un metodo di soluzione agli Elementi Finiti alternativo rispetto ai classici approcci incrementali e iterativi. Il vantaggio della SLA è quello di evitare i ben noti problemi di convergenza tipici delle analisi non lineari, specificando direttamente l'incremento di danno sull'elemento finito, attraverso la riduzione di rigidezze e resistenze nel particolare elemento finito, invece dell'incremento di carico o di spostamento. Il confronto tra i risultati di due prove di laboratorio su lastre in calcestruzzo armato e quelli della SLA ha dimostrato in entrambi i casi la robustezza del metodo, in termini di accuratezza dei diagrammi carico-spostamento, di distribuzione di tensioni e deformazioni e di rappresentazione del quadro fessurativo e dei meccanismi di crisi per taglio. Diverse variazioni dei più importanti parametri del modello sono state eseguite, evidenziando la forte incidenza sulle soluzioni dell'energia di frattura e del modello scelto per la riduzione del modulo elastico trasversale. Infine è stato effettuato un paragone tra la SLA ed il metodo non lineare di Newton-Raphson, il quale mostra la maggiore affidabilità della SLA nella valutazione di carichi e spostamenti ultimi insieme ad una significativa riduzione dei tempi computazionali. ABSTRACT (english) With increasing attention to the assessment of safety in existing dutch bridges and viaducts, the aim of the present thesis is to study, through the Finite Element modeling method and the continuous comparison with experimental results, the real response of elements that compose these infrastructures, i.e. reinforced concrete slabs subjected to concentrated loads. These elements are characterized by shear behavior and crisis, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challenge, due to their brittle behavior combined with various 3D effects. The thesis is focused on the use of Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative solution technique to classical non linear Finite Element analyses that are based on incremental and iterative approaches. The advantage of SLA is to avoid the well-known convergence problems of non linear analyses by directly specifying a damage increment, in terms of a reduction of stiffness and strength in the particular finite element, instead of a load or displacement increment. The comparison between the results of two laboratory tests on reinforced concrete slabs and those obtained by SLA has shown in both the cases the robustness of the method, in terms of accuracy of load-displacements diagrams, of the distribution of stress and strain and of the representation of the cracking pattern and of the shear failure mechanisms. Different variations of the most important parameters have been performed, pointing out the strong incidence on the solutions of the fracture energy and of the chosen shear retention model. At last a confrontation between SLA and the non linear Newton-Raphson method has been executed, showing the better reliability of the SLA in the evaluation of the ultimate loads and displacements, together with a significant reduction of computational times.

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.