Structural behavior of steel components under strong cyclic loading

Abstract

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η αριθμητική ολοκλήρωση ενός καταστατικού μοντέλου κυκλικής πλαστικότητας «οριακής επιφάνειας» σε υπολογιστικό περιβάλλον πεπερασμένων στοιχείων, κατάλληλο για την προσομοίωση της δομικής συμπεριφοράς μεταλλικών στοιχείων, που υπόκεινται σε ισχυρή κυκλική φόρτιση. Το μοντέλο βασίζεται στην ιδέα της “οριακής επιφάνειας” προτεινόμενο από τους Dafalias-Popov, και εμπλουτίζεται με τα κατάλληλα χαρακτηριστικά, ώστε να προσομοιώνεται καλύτερα η ελαστοπλαστική συμπεριφορά του υλικού σε κυκλική φόρτιση. Στο πρώτο τμήμα αυτής της διατριβής παρουσιάζεται το καταστατικό μοντέλο και δίνονται λεπτομέρειες για όλα τα εργαλεία που εισήχθησαν στο μοντέλο ώστε να το ενισχύσουν. Επίσης προσομοιώθηκαν πειράματα μικρής κλίμακας υπό κυκλική φόρτιση, ελέγχοντας την επιβαλλόμενη παραμόρφωση και την τάση. Περαιτέρω, με τη χρήση των πειραμάτων μικρής κλίμακας για τη βαθμονόμηση του καταστατικού μοντέλου προσομοιώθηκαν πειράματα μεγάλης κλίμακας. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά μεταλλικών καμπύλων σωληνωτών στοιχείων (elbows), που υποβάλλονται σε ισχυρή κυκλική φόρτιση. Οι καμπύλοι σωλήνες προσομοιώθηκαν με πεπερασμένα στοιχεία λαμβανομένων υπόψιν της γεωμετρίας και των ιδιοτήτων του υλικού. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το προτεινόμενο καταστατικό μοντέλο και η σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα πειραματικά δεδομένα είναι πολύ καλή τόσο στο «ολικό» επίπεδο δύναμης-μετατόπισης όσο και στο «τοπικό» επίπεδο που αφορά συσσώρευση πλαστικών παραμορφώσεων. Με τη χρήση των ίδιων αριθμητικών μοντέλων πραγματοποιήθηκε επιπλέον μια παραμετρική μελέτη για την επιρροή της εσωτερικής πίεσης και του πάχους του καμπύλου μεταλλικού τμήματος στη συσσώρευση πλαστικών παραμορφώσεων. Στο τρίτο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά συγκολλητών (fillet-welded) μεταλλικών συνδέσεων. Το κίνητρο αυτής της μελέτης είναι η δομική συμπεριφορά μη αγκυρωμένων μεταλλικών δεξαμενών, οι οποίες υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενο ανασήκωμα της βάσης της δεξαμενής, το οποίο οδηγεί σε ολιγο-κυκλική κόπωση λόγω επαναλαμβανόμενων πλαστικών παραμορφώσεων. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα υλικού ώστε να προσδιοριστούν οι ιδιότητές του υλικού και πειράματα σε μεταλλικές συγκολλητές συνδέσεις ώστε να προσδιοριστεί η σχέση των αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων κοντά στον πόδα της συγκόλλησης λόγω κυκλικής φόρτισης και του αριθμού των κύκλων μέχρι την αστοχία. Μετά το πέρας των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε αυτοψία στα δοκίμια, ώστε να προσδιοριστεί η ζώνη των ρωγμών στην πάνω και την κάτω πλευρά της βάσης του δοκιμίου. Πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις με σκοπό τον υπολογισμό παραμορφώσεων σε σημεία όπου πειραματικά δεν ήταν δυνατόν να μετρηθούν, αλλά και για την επέκταση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Το βασικό συμπέρασμα της μελέτης των μεταλλικών συνδέσεων είναι ότι μπορούν να υποστούν πολλούς κύκλους με μεγάλες παραμορφώσεις. Τέλος με βάση τα αποτελέσματα προτάθηκε μια καμπύλη κόπωσης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σεισμικό σχεδιασμό μη αγκυρωμένων δεξαμενών.