Assessment of solution strategies for non-linear finite element analyses in reinforced concrete structures.

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker usikkerheter knyttet til anvendelsen av ikke-lineær elementanalyse i armerte betongkonstruksjoner. Undersøkelsen gjennomføres ved en sammenligning av resultater fra fire forskjellige løsningsstrategier mot gjennomførte eksperimenter. Eksperimenter inneholder bjelker som er utsatt for firepunkts bøyning i tillegg til et fåtall høye bjelker. Løsningsstrategiene brukes til å evaluere effekten av egenskaper relatert til riss propagering og heft mellom betong og armering.

I tillegg til undersøkelsen av modelleringsusikkerheten brukes den foretrukne løsningsstrategien videre i en ikke-lineær analyse av en større konstruksjon. Konstruksjonen er en armert betongkonstruksjon plassert i et havområde, utsatt for et sammenstøt med et skip. Målet er å undersøke om den foreslåtte løsningsstrategien gir en pålitelig kapasitet før total kollaps.

Alle ikke-lineære analyser utføres ved bruk av programmet DIANA 10.4. Modelleringsprosedyrer er basert på retningslinjer for ikke-lineær element metode foreslått av Eurocode, fib og Rijkswaterstaat Center for Infrastructure.

Ikke-lineære analyser viser at modeller som tar i bruk en fast riss-orientering, har en tendens til å resultere i konservative verdier og manglende samsvar mot bruddmekanismer oppnådd i forsøkene. En roterende riss-orientering gir mer nøyaktige og konsekvente resultater. Roterende riss viser mindre følsomhet for endringer i heft mellom betong og armering. Heftendringer medfører større avvik når det kombineres med en fast riss-orientering.

Den maritime betongkonstruksjonen er modellert med full heft og roterende riss-orientering. Tilstrekkelig kapasitet er oppnådd ved bruk av den aktuelle løsningsstrategien, med en antatt dimensjonerende last på 80 000 kN. Konstruksjonens kapasitet er beregnet ut fra modelleringsusikkerheten og total last ved kollaps. Designkapasitet er lik 184,3 MN.

This thesis aims to investigate the uncertainties related to the application of non-linear finite element analysis in reinforced concrete structures. The investigation is performed by a benchmark analysis of four-point bending beams supplemented by a brief deep beam study. All experimental beams used for this study are modelled with four different solution strategies. The solution strategies are used to evaluate the effect of crack orientation properties and interface properties between concrete and reinforcement.

In addition to the investigation of modelling uncertainties, the preferred solution strategy is applied in a NLFEA of an actual structure. It is a large concrete structure located in a marine environment, subjected to a ship impact load. The aim is to investigate if the proposed solution strategy provides reliable capacity prior to total failure.

All non-linear analyses are performed using DIANA 10.4. Modelling procedures are based on guidelines for NLFEA proposed by Eurocode, fib and the Rijkswaterstaat Center for Infrastructure.

Non-linear analyses show that models using a Fixed Crack Orientation tend to result in conservative solutions and lack of compliance compared to the experimental failure mechanism. The Rotating Crack Orientation provides more accurate results with better consistency. Rotating cracks show minor sensitivity to bond changes. Bond changes produce more deviation when combined with fixed crack orientation.

The large concrete structure is modelled with a fully bonded interface and rotating crack orientation. Based on a design ship impact load of 80 000 kN, the solution strategy provides sufficient capacity. The structural resistance is calculated based on the partial factor of modelling uncertainty and the total load at failure. Structural design capacity is equal to 184.3 MN.