اپنسیس (OpenSees) یک نرم افزار متن باز شناخته شده با سطح سازگاری بالا است و دارای یک روش گسترش یافته المان الیافی برای انجام تحلیل غیر خطی سازه است. بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) می تواند عملکرد لرزه ای سازه های بتنی را بهبود بخشد. با این حال، مدل های ساختاری پیچیده برای بتن محصور شده با FRP در ویرایش کنونی استفاده شده OpenSees در دسترس نیست. در این مقاله، بعد از مرور چندین مدل ساختاری بتن محصور شده با FRP، یک مدل ساختاری برای بتن محصور شده با FRP با بخش های دایره ای بر اساس مدل Lam و Teng (2003) با چهار تغییر اساسی شامل تعیین کرنش شکست FRP، شرایط نهایی، شکل محیطی و پدیده هیسترزیس (پسماند مغناطیسی) پیشنهاد شده است. پیاده سازی مدل ساختاری پیشنهاد شده در برنامه OpenSees ، یک راه حل عملی برای شبیه سازی مهندسی است. از این رو، توسعه ثانویه اپنسیس یوزر متریال (UserMat) به طور خلاصه شرح داده شده و مجموعه ای از مراحل اصلی در نمودار جریان نشان داده شده است. در نهایت، با پیاده سازی عددی مجموعه اعضای بتن محصور شده با FRP تحت طیف وسیعی از حالات مختلف بارها، حالات مختلف محصورشدگی FRP و مشخصات هندسی، کارایی و دقت مدل بیان شده با مدل Lam و Teng مقایسه شده و مصالح جدید در OpenSees به خوبی ارزیابی شد.
مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
21,500 تومانشناسه فایل: 8746
- حجم فایل ورد: 567.2KB حجم پیدیاف: 473.5KB
- فرمت: فایل Word قابل ویرایش و پرینت (DOCx)
- تعداد صفحات فارسی: 19 انگلیسی: 11
- دانشگاه:
- Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, China
- Research Institute of Highway of China Ministry of Transport, Beijing, China
- Institute of Chemical Machinery, Zhejiang University, Hangzhou, China
- ژورنال: Journal of Zhejiang University SCIENCE A
چکیده
مقدمه مقاله
محصورکننده جانبی بتن به طور قابل توجهی قدرت و انعطاف پذیری آن را افزایش می دهد. با استفاده از پلیمرهای تقویت شده با فولاد یا فیبر (FRP) محصور کننده، به عنوان مصالح محصور کننده پیرامونی، بتن محصور شده دارای مقاومت و ظرفیت شکل پذیری بیشتری در مقایسه با بتن محصور نشده با وضعیت فشار سه محوری خواهد بود. در نتیجه، کاربرد بتن محصور شده در مهندسی عمران خصوصاً در طراحی لرزه ای افزایش پیدا کرده است. فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) به طور وسیعی برای استفاده بتن محصور شده به عنوان یک امکان تضمین شده برای کاربرد های مهندسی معرفی شده و محصور شدگی آن می تواند باعث افزایش قابل توجه مقاومت فشاری و کرنش نهایی بتن بطور همزمان شود.
در مطالعات اولیه در مورد بتن محصور شده، مدل فشار تک محوری بتن محصور شده با فولاد و بتن محصور شده با FRP یکسان بوده است. با این حال تعدادی از گروه های تحقیقاتی نشان دادند که اختلافات مهمی بین FRP و بتن محصور شده با فولاد وجود دارد و استفاده مستقیم آن نامناسب است. این ناشی از آن است که در بیشتر مدل های بتن محصور شده با فولاد، یک فشار محصور شدگی ثابتی فرض شده است که برای نمونه بتن محصور شده با فولاد زمانی که فولاد در جریان پلاستیک است صدق می کند، اما برای بتن محصور شده با FRP قابل قبول نیست. زمانی که FRP تمایل دارد تا تا زمان گسیختگی نهایی در محدوده خطی الاستیک باقی بماند، فشار محصور کننده جانبی در بتن مسلح با FRP با بزرگ شدن فزاینده حلقه ها، بطور پیوسته افزایش می یابد.
پیشرفت های قابل توجهی در سه دهه اخیر در جهت گسترش یک مدل ساختاری برای توصیف بتن محصور شده با FRP به تحقق رسیده است. همه این مدل های تنش-کرنش میتواند در دو دسته تقسیم شود : 1- مدل های طراحی محور 2- مدل های تحلیل محور. حتی اگر مدل های تحلیل محور دارای مزایایی در توصیف رفتار مکانیکی با پیچیدگی های اجتناب ناپذیری در فرآیند نموی باشند، مدل های طراحی محور می توانند در طراحی مهندسی موثرتر و کاربردی تر باشند. بر اساس یک مرور جامع و تعیین مدل های ساختاری بتن محصور شده با FRP شامل طراحی محور و مدل های تحلیل محور، مدل های طراحی گرا به طور کلی در پیش بینی مقاومت نهایی و کرنش های نسبی بالا بهتر عمل کرده اند. در بین چندین مدل نمونه ساختاری طراحی محوری که در جدول 1 لیست شده اند، یکی از آنها توسط لام و تنگ پیشنهاد شده است که در نمایش مقاومت و شکل پذیری اعضای بتن مسلح با FRP ساده و دقیق است و بنابراین نقش مهمی در تحلیل سازه ای و طراحی ایفا می کند. در سازگاری با تعیین نتایج اندازه گیری شده با پایگاه داده آزمایشات 730 نمونه لوله ای بتن محصور شده با FRP، مدل لام و تنگ یکی از بهترین عملکردها را دارد. او و همکارانش مدل های لام و تنگ را برای پایه ها و ستونها کمی اصلاح کردند. در این مقاله، مدل ساختاری اصلاح شده که ابهام در انتخاب پارامتر های تجربی در آن کاهش یافته بود، جامع تر بوده و نتایج خیلی بهتری مورد انتظار است.
روش المان الیافی که روند مدلسازی سازه ای را از روش قدیمی المان محدود کوتاه تر و موثرتر می کند، می تواند به عنوان یک روش المان محدود تیر- سیستم توزیع شده تلقی شود. به عبارتی، مدل المان الیافی بر اساس مکانیک سازه ای تیر- سیستم و مدل ساختاری تک محوری مصالح بنا شده است. در مقطع تار فرض شده است که هر تاری دارای خاصیت ساختاری تک محوری منحصر بفرد می باشد و هیچ گونه لغزشی بین تارها مختلف وجود ندارد. اسپاکون و همکاران، و مونتی و اسپاکون در سال 2000 کاربرد روش المان الیافی در ارتباط با تحلیل غیر خطی سازه ای را نشان دادند و همچنین نشان دادند که با کاهش تعداد درجات آزادی محاسباتی، بازدهی افزایش پیدا میکند و در یک زمان برابر دقت تحلیل ها، می تواند با موفقیت همراه شود. نمای شماتیک مقطع تار بتن محصور شده با FRP در شکل 1 نمایش داده شده است.
OpenSees (اپنسیس) یک نرم افزار متن باز با سطح سازگاری بالا و با قابلیت گسترش پذیری، توسط دانشگاه کالیفرنیا –برکلی ساخته شده است و اکنون نیز بوسیله مرکز تحقیقات مهندسی زلزله اقیانوس آمریکا PEER و یک انجمن حال رشد تحت حمایت است. این نرم افزار توسط موسسه PEER بر اساس کد های مبنای زبان برنامه نویسی C++ از سال 1997 مورد استفاده قرار گرفته است. پلت فرم OpenSees یک روش المان الیافی را از زمان اولین باری که آماده به کار شده است، در خود جای داده است. بنابراین تحلیل سازه ای غیر خطی بر اساس روش المان الیافی به طور کامل می تواند در بین یک مدل تیر ستون غیر خطی و مدل مفصل پلاستیک در برنامه OpenSees اجرا شود. از زمانی که کاربرد و دقت آن به خوبی صحت سنجی شده است، عموما مورد پذیرش قرار گرفته و به کاربرد های وسیع OpenSees در زمینه تحقیقاتی مهندسی زلزله دست پیدا کرده است .
ویژگی های روش المان الیافی با ایده مدل ساختاری طراحی محور سازگار است. با این حال، هنوز هیچ مدل ساختاری بتن محصور شده با FRP در برنامه OpenSees تا حالا پیاده سازی نشده است. به همین علت، یک مدل ساختاری اصلاح شده برای بتن محصور شده با FRP بر اساس مدل لام و تنگ 2003 در این مقاله پیشنهاد شده است و به طور یکپارچه در OpenSees از طریق توسعه ثانویه UserMat (یوزر متریال) برای گسترش روبه جلو آن برنامه در تحلیل سازه ای در ترکیب با روش المان الیافی موثر اجرا شده است.
ABSTRACT A modified constitutive model for FRP confined concrete in circular sections and its implementation with OpenSees programming
OpenSees is a well-recognized open source platform with high compatibility, and it has a well-developed fiber element method to cope with nonlinear structural analysis. Fiber reinforced polymer (FRP) confined concrete can effectively improve the seismic performance of concrete structures. However, sophisticated constitutive models for FRP confined concrete are not available in the current version of OpenSees. In this paper, after reviewing several typical FRP confined concrete constitutive models, a modified constitutive model for FRP confined concrete in circular sections was proposed based on Lam and Teng (2003)’s model with four main modifications including the determination of FRP rupture strain, ultimate condition, envelope shape, and hysteretic rules. To embed the proposed constitutive model into OpenSees is a practical solution for engineering simulation. Hence, the secondary development of OpenSees New UserMat was briefly demonstrated and a set of critical steps were depicted in a flow chart. Finally, with the numerical implementations of a series of FRP confined concrete members covering a wide range of load cases, FRP confinement types and geometric properties, the utility and accuracy of the proposed model compared with Lam and Teng (2003)’s model and new material secondary development in OpenSees were well validated.
Introduction
Lateral confinement of concrete enhances its strength and ductility significantly. By utilizing steel or fiber reinforced polymer (FRP) as confinement material, confined concrete has a higher strength and deformation capacity compared with unconfined concrete due to the tri-axial compressive status with respect to lateral confining. As a result, confined concrete has been increasingly applied in civil engineering, especially in seismic design (Park et al., 1982; Mander et al., 1988a; Shams and Saadeghvaziri, 1997). As a promising option for engineering applications, FRP have been widely introduced into the application of confined concrete, and its confinement can greatly enhance the compressive strength and ultimate strain of concrete at the same time (Samaan et al., 1998; Toutanji, 1999).
In early studies of confined concrete, the uniaxial constitutive models for steel confined concrete and FRP confined concrete were the same. However, a number of research groups showed that significant differences exist between FRP confined and steel confined concrete and that its direct use is inappropriate. This is because in most steel confined concrete models (Mander et al., 1988b), a constant confining pressure is assumed, which is the case of steel confined concrete when the steel is in plastic flow, but not the case for FRP confined concrete. As FRP composites tend to remain linearly elastic until final rupture, the lateral confining pressure in FRP confined concrete increases continuously with the increasingly hoop enlarging.
Considerable progress has been achieved in developing a constitutive model for describing FRP confined concrete over the last three decades. All these stress strain models can be classified into two categories: (a) design-oriented models, and (b) analysis-oriented models. Even though the analysis oriented models have advantages in describing detailed mechanical behavior with the inevitable complexity of the incremental process, the design oriented models can be much more effectively and practically used in engineering design. According to a comprehensive review and assessment of the FRP confined concrete constitutive models including design-oriented and analysis-oriented ones (Ozbakkaloglu et al., 2013), the design-oriented models generally performed better in predicting the ultimate strength and strain enhancement ratios. Among several typical design-oriented constitutive models listed in Table 1, the one proposed by Lam and Teng (2003) is simple and accurate in depicting the strength and ductility of FRP confined concrete members, and therefore playing an important role in their structural analysis and design). In consistence with the assessment result calibrated by 730 FRP confined concrete cylinders test database, Lam and Teng (2003)’s model is one of the top performing models (Ozbakkaloglu et al., 2013). He et al. (2013) modified Lam and Teng (2003)’s model slightly for analyzing FRP piers or columns. In this paper, the modified constitutive model, in which the ambiguity on selecting parameters empirically has been reduced, is more comprehensive and much better results are expected.
The fiber element method, which makes the structural modeling process more concise and efficient than the traditional finite element method, can be regarded as a distributed beam-system finite element method, i.e., the fiber element model is set up on the basis of a beam-system structural mechanics and uniaxial constitutive model of materials. In the fiber section, the assumptions that each fiber possesses its unique uniaxial constitutive material property, and no relative slippage exists between different fibers have been straightforwardly carried out. Spacone et al. (1996) and Monti and Spacone (2000) demonstrated the utility of the fiber element method in dealing with structural nonlinear analysis, and showed that the efficiency raised by the decrease of computational degree of freedom (DOF) and the accuracy of analysis can be successfully achieved at the same time. The schematic depiction of the fiber section of FRP confined concrete is shown in Fig. 1.
OpenSees is an open framework with high compatibility and extendibility originally developed at University of California, Berkeley and currently supported by the American Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) and an ever growing community. It has been utilized by the PEER based on object oriented C++ language source code since 1997. The OpenSees platform has embedded a fiber element method into its framework since it was first launched. Therefore, the nonlinear structural analysis based on the fiber element method can be completely conducted in OpenSees software mainly through a nonlinear beam column model and plastic hinge model. Since its utility and accuracy have been well verified, widespread acceptance and broad application of OpenSees have been achieved in the earthquake engineering research field.
The characteristics of the fiber element method are consistent with the idea of the design-oriented constitutive model; however, there is still no FRP confined concrete constitutive model embedded in the OpenSees platform up to now. For this reason, a modified constitutive model for FRP confined concrete based on Lam and Teng (2003)’s model is proposed in this paper and seamlessly embedded into OpenSees through UserMat secondary development to further broaden its application in structural analysis in combination with the efficient fiber element method.
- مقاله درمورد مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- یک مدل سازنده اصلاح شده برای بتن محصور FRP در بخش های دایره ای و اجرای آن با برنامه های OpenSees
- پروژه دانشجویی مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- اجرای مدل ساختاری برای بتن با FRP توسط OpenSees
- پایان نامه در مورد مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- تحقیق درباره مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- مقاله دانشجویی مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees در قالب پاياننامه
- پروپوزال در مورد مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- گزارش سمینار در مورد مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees
- گزارش کارورزی درباره مدل ساختاری برای بتن محصور شده با فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) در نرم افزار OpenSees