Application of the generalized nonlinear constitutive law in numerical analysis of hollow-core slabs

• Autorzy: Staszak Natalia , Garbowski Tomasz , Ksit Barbara

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140633

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie uogólnionego nieliniowego prawa konstytutywnego do analizy numerycznej kanałowych płyt stropowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The non-linear analysis of hollow-core concrete slabs requires the use of advanced numerical techniques, proper constitutive models both for concrete and steel as well as particular computational skills. If prestressing, cracking, crack opening, material softening, etc. are also to be taken into account, then the computational task can far exceed the capabilities of an ordinary engineer. In order for the calculations to be carried out in a traditional design office, simplified calculation methods are needed. They should be based on the linear finite element (FE) method with a simple approach that takes into account material nonlinearities. In this paper the simplified analysis of hollow-core slabs based on the generalized nonlinear constitutive law is presented. In the proposed method a simple decomposition of the traditional iterative linear finite element analysis and the non-linear algebraic analysis of the plate cross-section is used. Through independent analysis of the plate cross-section in different deformation states, a degraded plate stiffness can be obtained, which allows for iterative update of displacements and rotations in the nodes of the FE model. Which in turn allows to update the deformation state and then correct translations and rotations in the nodes again. The results obtained from the full detailed 3D nonlinear FEM model and from the proposed approach are compared for different slab cross-sections. The obtained results from both models are consistent.

PL

Nieliniowa analiza kanałowych płyt stropowych wymaga zastosowania zaawansowanych technik numerycznych, odpowiednich modeli konstytutywnych zarówno dla betonu jak i stali oraz konieczności posiadania odpowiednich umiejętności obliczeniowych. W przypadku nieliniowych analiz należy wziąć pod uwagę również sprężenie, pękanie, rysy, zmiękczenie materiału itp., co powoduje że zadanie obliczeniowe może znacznie przekroczyć możliwości zwykłego inżyniera. W celu wykonania obliczeń w tradycyjnym biurze projektowym potrzebne są uproszczone metody obliczeń. Najlepiej w oparciu o liniową metodę elementów skończonych (MES) z prostym podejściem uwzględniającym nieliniowości materiałowe. W artykule przedstawiono uproszczoną analizę kanałowych płyt w oparciu o uogólnione prawo konstytutywne. W proponowanej metodzie prosty rozkład tradycyjnej iteracyjnej liniowej analizy elementów skończonych oraz nieliniowej analizy algebraicznej przekroju poprzecznego płyty. Poprzez niezależną analizę przekroju płyty w różnych stanach odkształcenia, można uzyskać zdegradowaną sztywność płyty, co pozwala na iteracyjną aktualizację przemieszczeń oraz obrotów w węzłach modelu MES. To z kolei pozwala zaktualizować stan deformacji, a następnie skorygować translacje i obroty w węzach jeszcze raz. Proponowana tutaj metoda ma zastosowanie do analizy betonu zbrojonego cięgnami oraz sprężonych płyt kanałowych. Wyniki uzyskane z pełnego szczegółowego nieliniowego modelu 3D MES oraz z proponowanego podejścia są porównywane dla różnych przekrojów płyt. Uzyskane wyniki dają dobrą zbieżność.

Słowa kluczowe

EN

nonlinear law; constitutive law; finite element; numerical analysis; nonlinear material; composite structure; hollow core slab

PL

prawo nieliniowe; prawo konstytutywne; analiza numeryczna; element skończony; nieliniowość materiałowa; kompozyt; płyta kanałowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 2
• Strony: 125--145
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., il, tab.

Twórcy

autor

Staszak Natalia

• Poznań University of Life Sciences, Department of Biosystems Engineering, Poznań, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8960-9573

autor

Garbowski Tomasz

• Poznań University of Life Sciences, Department of Biosystems Engineering, Poznań, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9588-2514

autor

Ksit Barbara

• Poznań University of Technology, Institute of Building Engineering, Poznań, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6459-8783

Bibliografia

• [1] Abaqus Documentation Collection, Abaqus Analysis User’s Manual, Abaqus/CAE User’s Manual, 2020.
• [2] A. Adawi, M.A. Youssef, M.E. Meshaly, “Finite element modeling of the composite action between hollow core slabs and the topping concrete”, Engineering Structures, 2016, vol. 124, pp. 302-315, DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.06.016.
• [3] A. Ajdukiewicz, K. Golonka, “Sprężone stropy płaskie dużej rozpiętości - środki techniczne, ograniczenia i metody projektowania”, in Konferencja Naukowo-Techniczna Konstrukcje Sprężone KS2015, Kraków, 16-17 kwietnia 2015: Materiały, W. Derkowski, et al., Eds., 2015, pp. 11-38.
• [4] D.P. Billington, “Historical Perspective on Prestressed Concrete”, PCI Journal, 1976, vol. 21, no. 5, pp. 48-71.
• [5] T. Błaszczyński, B. Ksit, L. Grzegorczyk, Nowa certyfikacja energetyczna jako element budownictwa zrównoważonego, Poznań, Poland: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2018.
• [6] T. Clement, A. Pinho Ramos, M.F. Ruiz, A. Muttoni, “Design for punching of prestressed concrete slabs”, Structural Concrete, 2013, vol. 14, no. 2, pp. 157-167, DOI: 10.1002/suco.201200028.
• [7] W. Derkowski, ”Nowe rozwiązania stropu sprężonego dla budynku hotelowo-konferencyjnego”, Czasopismo techniczne. Architektura, 2011, vol. 108, no. 11, pp. 239-246.
• [8] D.C. Drucker, W. Prager, “Soil mechanics and plastic analysis or limit design”, Quarterly of Applied Mathematics, 1952, vol. 10, pp. 157-165.
• [9] R.C. Elstner, E. Hognestad, “Shearing strength of reinforced concrete slabs”, ACI Journal, 1956, vol. 53, no. 1, pp. 29-58.
• [10] T. Gajewski, T. Garbowski, “Calibration of concrete parameters based on digital image correlation and inverse analysis”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, vol. 14, no. 1, pp. 170-180, DOI: 10.1016/j.acme.2013.05.012.
• [11] T. Gajewski, T. Garbowski, “Mixed experimental/numerical methods applied for concrete parameters estimation”, in Recent Advances in Computational Mechanics: proceedings of the 20th International Conference on Computer Methods in Mechanics (CMM 2013), Poznan, August, 2013, T. Łodygowski, J. Rakowski, P. Litewka, Eds. CRC Press/Balkema, 2014, pp. 293-302, DOI: 10.1201/B16513.
• [12] T. Garbowski, G. Maier, G. Novati, “Diagnosis of concrete dams by flat-jack tests and inverse analyses based on proper orthogonal decomposition”, Journal of Mechanics of Materials and Structures, 2011, vol. 6, no. 1-4, pp. 181-202, DOI: 10.2140/JOMMS.2011.6.181.
• [13] J. van Greunen, A.C. Scordelis, “Nonlinear analysis of prestressed concrete slabs”, Journal of Structural Engineering, 1983, vol. 109, pp. 1742-1760.
• [14] I. Holly, I. Abrahoim, L. Fillo, “3D Nonlinear Analysis of Precast Prestressed Hollow Core Slab”, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering WMCAUS 15-19 June 2020, Prague, Czech Republic, 2020, vol. 960, DOI: 10.1088/1757-899x/960/2/022028.
• [15] T.N. Hang Nguyen, K. Tan, T. Kanda, “Investigations on web-shear behaviour of deep precast, prestressed concrete hollow core slabs”, Engineering Structures, 2019, vol. 183, pp. 579-593, DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.12.052.
• [16] I.S. Ibrahim, K.S. Elliott, R. Abdullah, A.B.H. Kueh, N.N. Sarbini, “Experimental study on the shear behaviour of precast concrete hollow core slabs with concrete topping”, Engineering Structures, 2016, vol. 126, pp. 80-90, DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.06.005.
• [17] T. Jankowiak, T. Łodygowski, “Identification of parameters of concrete damage plasticity constitutive model”, Foundations of Civil and Environmental Engineering, 2005, no. 6, pp. 53-69.
• [18] M. Knauff, Podstawy projektowania konstrukcji żelbetowych i sprężonych według Eurokodu 2, Wrocław: Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, 2006.
• [19] F. Liu, J. Battini, C. Pacoste, A. Granberg, “Experimental and Numerical Dynamic Analyses of Hollow Core Concrete Floors”, Structures, 2017, vol. 12, pp. 286-297, DOI: 10.1016/j.istruc.2017.10.001.
• [20] “MATWORK”. [Online]. Available: https://www.mathworks.com/. [Accessed: 28.06.2021].
• [21] G. Maier, G. Bolzon, V. Buljak, T. Garbowski, B. Miller, “Synergic Combinations of Computational Methods and Experiments for Structural Diagnoses”, in Computer Methods in Mechanics. Advanced Structured Materials, M. Kuczma, K. Wilmanski, Eds. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer, 2010, pp. 453-476, DOI: 10.1007/978-3-642-05241-5_24.
• [22] D. Mrówczyński, T. Gajewski, T. Garbowski, “Application of the generalized nonlinear constitutive law in 2D shear flexible beam structures”, Preprints, 2021. [Online], DOI: 10.20944/preprints202106.0178.v1.
• [23] D. Mrówczyński, T. Gajewski, T. Garbowski, “The generalized constitutive lawin nonlinear structural analysis of steel frames”, in Modern Trends in Research on Steel, Aluminium and Composite Structures, M.A. Giżejowski, et al., Eds. Routledge Taylor and Francis Group, 2021, pp. 120-125, DOI: 10.1201/9781003132134-12.
• [24] Poradnik projektanta: Strunobetonowe płyty stropowe kanałowe HC. Gorzkowice, Poland: Consolis, 2010.
• [25] PN-EN 1992-1-1:2008 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules, and rules for buildings. 2008.
• [26] E. Radziszewska-Zielina, ”Fuzzy control of the partnering relations of a construction enterprise”, Journal of Civil Engineering and Management, 2011, vol. 17, no. 1, pp. 5-15, DOI: 10.3846/13923730.2011.554172.
• [27] A. Rodrigeus da Silva, J. Paulo de Souze Rosa, “Nonlinear numerical analysis of prestressed concrete beams and slabs”, Engineering Structures, 2020, vol. 223, DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111187.
• [28] G. Sathurappan, N. Rajogopalan, C.S. Krishnamoorthy, “Nonlinear finite element analysis of reinforced and prestressed concrete slabs with reinforcement (inclusive of prestressing steel) modelled as discrete integral components”, Computers & Structures, 1992, vol. 44, no. 3, pp. 575-584.
• [29] A.M. Shakya, V.K.R. Kodur, “Response of precast prestressed concrete hollowcore slabs under fire conditions”, Engineering Structures, 2015, vol. 87, pp. 126-138, DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.01.018.
• [30] N. Staszak, T. Gajewski, T. Garbowski, “Generalized nonlinear constitutive law applied to steel trapezoidal sheet plates”, in Modern Trends in Research on Steel, Aluminium and Composite Structures, M.A. Giżejowski, et al., Eds. Routledge Taylor and Francis Group, 2021, pp. 185-191, DOI: 10.1201/9781003132134-21.
• [31] W. Starosolski, Konstrukcje żelbetowe według PN-B-03264:2002 i Eurokodu 2, 12th ed., vol. 1. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2009.
• [32] T. Steinar, “Structural Behaviour of Post Tensioned Concrete Structures: Flat Slab. Slabs on Ground”, Doctoral thesis, Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi, Trondheim, Norwegia, 2001.
• [33] M. Szumigała, Zespolone stalowo-betonowe konstrukcje szkieletowe pod obciążeniem doraźnym, Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2007.
• [34] R. Szydłowski, “Concrete properties for long-span post-tensioned slabs”, 2nd International Symposium on Advanced Material Research (ISAMR 2018), Jeju Island, Republic of Korea, March 16th-18th, 2018 and Materials Science Forum, 2018, vol. 296, pp. 122-127, DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.926.122.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).