开发实用的有限元模型对钢筋混凝土结构的崩溃和实验验证

文摘

介绍了两种实用方法模拟钢筋混凝土结构的崩溃。它们与真正的规模测试验证的一座两层楼的结构失去轴承列。崩溃的目标是实现准确模拟现象与温和的计算成本。显式有限元模型与拉格朗日网格使用,隔离的方式建模混凝土和钢。第一个模型使用3 d连续有限元素为钢筋混凝土梁、连接使用一个点球位移兼容性的方法。第二个模型使用结构有限元素,为混凝土外壳,共同的钢材和梁连接节点偏心配方。两者都能正确地模拟的全球行为结构崩溃。连续介质有限元模型更准确解释局部失效,但过度的计算成本为一个完整的建筑。提出的结构有限元模型有一个温和的计算成本,收益足够准确的结果,结果是推荐的方法。

1。介绍

近年来许多民用建筑倒塌后失去一个或多个方位元素,由于爆炸或冲击载荷,从意外事件或恐怖袭击。这些建筑往往是由钢筋混凝土和负载的分配中删除一个元素没有被考虑在他们的设计。

美国恐怖袭击在俄克拉荷马城(1)4月19日,阿尔弗雷德·p·默拉联邦大楼1995,这些加载的是一个著名的例子。这次袭击造成168人死亡,680多人受伤。2300公斤的铵油炸药在建设和使用造成巨大破坏的崩溃的很大一部分。另一个例子是对阿根廷的攻击以色列人互助协会建筑在布宜诺斯艾利斯7月18日,19942]。在这种攻击中85人死亡,数百人受伤。275公斤的铵油被用于这种攻击。爆炸完全摧毁了暴露的墙壁和导致进步的楼板上的失败和崩溃的建筑。在西班牙,此事有机场的停车场是攻击12月30日,2006年,当一辆货车炸弹爆炸事件,造成两人死亡,52人受伤;500到800公斤的一种未知的爆炸,导致拆迁开设结构(3]。爆炸从意外事件发生在2月,2012年,在阿斯特拉罕,俄罗斯,在大楼的四楼,十楼的倒塌造成10人死亡,12受伤。在所有这些情况下,损伤的结构不仅直接影响随后的爆炸也崩溃由于轴承元素的损失。结构的损伤可能是灾难性的,所以开发一个实用的方法,可以很方便评价这一现象。

几项研究已经进行民用建筑近年来的进步的崩溃4- - - - - -6]。其中一些分析减少的部分结构详细有限元模型(7),而另一些人提出一种解析方法(8,9]。最常见的技术用于大型建筑为钢筋混凝土有限元模型与均质材料(10- - - - - -12]。

在本文中,我们开发、应用,并讨论两种不同类型的有限元模型为研究钢筋混凝土结构受爆炸载荷的崩溃。LS-DYNA代码(13)是用于动态的计算机模拟,拉格朗日有限元素,显式时间积分,并考虑混凝土和钢铁以隔离方式。这项工作的重点是在结构崩溃现象;更详细的解释爆炸荷载效应的考虑可能会发现在14]。

第一个模型使用3 d连续有限元素为钢筋混凝土梁、连接使用一个点球位移兼容性的方法。这个模型是非常详细,但较高的计算成本。第二个模型使用结构有限元素,也就是说,外壳为钢铁、混凝土和梁连接在常见的节点和一个古怪的配方来考虑钢筋的位置。这个模型比以前更详细;然而,繁殖的主要结构特点崩溃,降低计算成本。两种模型与一个真正的规模测试,以验证技术。

2。测试描述

第六列和两层钢筋混凝土结构建造了这个测试。目的是分析结构的行为当一个中央列的下半部分低地板了。移除是由爆炸指控位于列,在构建阶段穿孔之前处理。充电时爆炸失去了结构静力平衡在几毫秒,进入动态的运动。图1显示了结构在爆炸之前。特点如下:(一)列:(我)维度: 。(2)纵向钢筋:9肋块毫米直径。(3)抗剪钢筋:酒吧每个直径 。(iv)混凝土保护层: 。(b)板:(我)坚实的混凝土,厚度。(2)楼板的维度: 。(3)纵向钢筋,顶部和底部层:根据表中1和图2。(iv)冲剪钢筋:毫米直径酒吧每在一个区 集中在列。(v)混凝土保护层: 。

的基础结构是由钢筋混凝土板厚度。施工过程中使用的材料混凝土和带肋钢筋。满载着沙袋在悬臂结构,在一个 对于每个领域。沙袋的重量 。

崩溃的过程与高速相机记录删除列的前面。一个卷的导游在左边的中央柱轴。在本指南两点标记(1和2)的分离。时候两个点(A和B)第一板达到分1和2(图3)注释,并测量了位移平均速度。测量位移和速度结果部分所示5。

3所示。连续介质有限元模型

在这个模型中研究的几何结构准确再现。混凝土是使用连续体来表示元素和梁的钢类型元素以隔离方式。两个网格重叠和钢筋混凝土连接建模通过约束的拉格朗日在固体15LS-DYNA)特性,基于惩罚约束。

八节点连续元素与一个高斯点和沙漏控制用于混凝土的有限元模型。沙漏与Flanagan-Belytschko刚度公式形式的人工粘度(16)是用来避免零能耗的变形模式underintegrated元素。

网格的大小是由 板和元素 列的元素。每一条钢筋与Hughes-Liu梁复制类型的元素使用 高斯点的截面和位于混凝土网格内的确切位置。

具体的行为是代表使用连续表面帽模型(CSCM) [17在LS-DYNA)材料模型实现。这种材料模型各向同性和有不同的响应在张力和压缩,三个塑性表面(TXE拉伸、TOR剪切和TXC压缩),在压缩软化,损害张力,消除材料和侵蚀的处方。图4显示无侧限单轴拉伸和压缩的材料响应。损害制定模型和应变软化模量降低( ),是一个标量损伤参数变换应力张量而不损伤()损伤的应力张量()。伤害提升者,当以能源方面积累超过脆性破坏的损伤阈值( )和韧性损伤( )。当损伤超过元素侵蚀 和最大主应变超过一个侵蚀参数值。CSCM材料模型(17是定义的基本参数见表2。

钢的行为表示使用分段线性塑性材料模型(图5),这是一种弹塑性材料模型与硬化,等于响应在张力和压缩和失败当有效塑性应变达到极限应变。材料参数如表所示3。

虽然不同的网格用于混凝土和钢,使用连续和梁元素类型,分别与运动学约束他们的自由度耦合的实现完全变形的兼容性。这是使用执行选项受约束的拉格朗日在固体LS-DYNA之内。

列的基地是固定的和地面被建模为一个固定的刚性板。一个点球配方用于结构的不同部分之间的联系,认为列之间的碰撞,石板,地面。负荷应用于结构重力荷载引起的沙袋和自重。负载的沙袋逼近建模为一个垂直分布的重量 ( 每个)。结构的自重建模通过重力荷载应用于集中节点质量规定。

固定负载下的初始平衡状态是通过一个动态松弛一步(18]。接下来,一半列是消除,引发崩溃的过程。

LS-DYNA命令和默认使用,分别为接触约束、载荷的沙袋,自重和动态松弛接触自动一般( , );加载段设置( , );加载机构Z ( , );动态松弛( , , , −1)

获得的结果与该模型讨论了部分5。

4所示。结构有限元模型

在这个模型中壳元素用于表示混凝土和钢与梁式建模元素以隔离方式。钢筋和壳之间的连接节点中执行一个偏移量公式,考虑了偏心率的强化19]。

的混凝土板和列建模与壳元素使用两个高斯点的厚度。钢钢筋与Hughes-Liu梁类型建模元素使用 高斯点的横截面。个人钢筋模型中包括代表实际结构加固的实际数量。

为列 外壳使用与交叉形式,形成一段相同的质量和惯性真正的列部分(图6)。这个建模方案列提供的正确表示弯曲和压缩下的刚度和强度,同时包括非线性响应和崩溃,包括积极的表面爆炸加载的爆炸事件。

纵向钢筋的九条独立建模,在纵向柱轴位置重叠,和连接到节点的列具体的壳元素与适当的几何偏移量。

剪切强化独立建模也有6毫米直径酒吧,他们的节点与节点的混凝土外壳远离柱轴。图6显示了真正的部分和相当于部分交叉形成的贝壳和抵消强化。

板与平板壳元素建模的 大小。钢筋的分布板区分支持区,区中部,顶部和底部层,和两个垂直的方向( , 后板),在图的坐标2:(我)顶层,相当于酒吧:(一) 方向,分离:行 , 来 和 来 ;行 , 来 和 来 。(b) 方向,分离:行 , 来 ;行 , 来 ;行 , 来 。(2)底层,相当于酒吧:(一)中央和支持区域之间没有区别。(b) 方向,分离:行 , 来 。(c) 方向,分离:行 , 来 。

此外,附近的壳板列在一个 区( 壳),建模与4%的横向钢筋的冲剪加固。

具体的建模使用Eurocode 2 (EC2) [20.在LS-DYNA)材料模型实现。这种材料模型是各向同性的,不同的响应在张力和压缩,在压缩、软化损伤紧张,硬化,失败。

可以包括钢筋与混凝土的均质。此选项只用于板的抗剪钢筋。这种材料本身不包括侵蚀模型,但这种功能可以添加垫增加侵蚀配方。图7显示无侧限单轴的材料响应位移。用于侵蚀以前校准的参数(14,21)为了获得使用的网格大小相当于侵蚀两种有限元模型。

使用的材料参数如表所示4。

接触约束,边界条件和加载相同的连续介质模型:列固定在他们的基地,地面刚性板,结构的不同部分之间的联系,沙袋和重力载荷和自重。

模型的响应将在下一节中讨论。

5。结果与讨论

5.1。测试结果

离散测量进行材料点A和B(图3),如下:(我)A:位置1 ,位置2 。(2)B点:位置1 ,位置2 。

测量的位置这两个点的平均速度 对于这两个。不幸的是位于结构的加速度计失败,因此位移是唯一可靠的测量。爆炸造成的尘埃阻止可靠措施超出一秒开始崩溃。

5.2。对比测试和模型

数据8和9显示测量位移和速度之间的比较和计算的连续性和结构有限元模型。点A和B之间的差异在计算模型中是微不足道的,只有一个曲线两个点A和B。因此,四个位移测量的测试可以在一个图来表示。

图8显示了良好的相关性四个测量位移和位移有限元模型的历史。

在图9速度连续介质有限元模型的历史和结构有限元模型与测量平均速度相比,导致一个好的平均值之间的协议。

数据10,11,12显示的进化结构崩溃,比较这些照片从慢动作视频获得的网格模型在相应的时间。

在第一个图中,在时间 ,两层显示一个大的板位移损失的支持删除列。尽管这些大位移只有得到混凝土的开裂和钢筋仍有能力维护板的完整性。列也保持结构完整性。在第二个图,在时间 ,的位移增加了删除列的区域;板和列之间的工会获得大型旋转并开始破产。然而,速度仍然较低是由于结构的其余部分的贡献,和列保持其完整性。在第三个图,时间 ,中央列位于背部和底部失败由于它必须支持的附加荷载,和完整的结构崩溃。几个工会之间的板和列失败完全独立和板落的列。崩溃的类型的失败的混凝土和钢筋板中心的结构。可能观察到的数据,全球结构充分代表的行为。

5.3。讨论

模型用于钢筋混凝土结构已经证明他们的繁殖能力的完整过程逐渐崩溃。连续介质有限元模型是最准确的模型,更精确的位移和速度和更好的预测混凝土的失败,尤其是在区域列支持板。结构有限元模型准确略低于连续介质有限元模型的位移和速度。当地的失败并不代表细节,但它有足够的精度准确复制全球崩溃现象。伟大的结构有限元模型的优点是一个小得多的计算成本。表5展示了这两种模型之间的对比的元素个数,计算时间和内存。结构有限元模型更有效。

牢记一个现实的模型,一个完整的建筑将是更大的规模和计算成本,为连续介质有限元模型所需的计算机资源呈现难以负担。相反,结构有限元模型可以用温和的计算成本。

相同的结论可能会达到分析爆炸荷载对混凝土建筑(14)及其随后的崩溃。

6。结论

本文讨论了钢筋混凝土结构的建模与显式有限元模型崩溃。提出了两种不同的方法。有限元代码LS-DYNA用于分析。

第一种模型使用连续元素为钢筋混凝土和梁元素隔离。钢筋和混凝土之间的关系建模使用一个点球配方(约束的拉格朗日固体)。CSCM和分段线性塑性材料模型是用于混凝土和钢铁,分别。参数制定和流失危害部分所示3。接触约束、载荷的沙袋、自重和动态松弛配方建模与自动一般接触,加载段集、负载Z,身体和动态松弛LS-DYNA的命令。

第二种类型的模型使用壳元素为钢筋混凝土和梁元素隔离。钢筋和混凝土之间的连接是通过常见的网格节点进行建模。EC2和分段线性塑性材料模型是用于混凝土和钢铁,分别。接触约束、加载的沙袋,自重和动态弛豫公式是相同的连续介质模型。

建模技术已经验证通过与实际规模的比较测试的一座两层楼的结构。模型参数的数值部分所示3和4。

根据本文给出的结果是得出以下结论:(我)提出的方法用于两个有限元模型有足够的精度准确地再现全球崩溃现象。(2)连续介质有限元模型的位移和速度的精度高,和当地的预测失败的混凝土。结构有限元模型有足够的精度较低的计算成本比连续元素模型,可用于模拟大型框架式建筑的优势。(3)建模的完整的建筑、结构有限元模型与混凝土外壳包括隔离钢梁元素耦合使用公共节点推荐。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究进行SEGTRANS项目的支持(Investigacion Desarrollo y Demostracion de Innovadores sistema de Mejora de la Seguridad积分在终端内在),由西班牙工业技术发展中心(CDTI)和实验实现了技术研究所La Maranosa属于国防部的西班牙。

引用

1. p . f . Mlakar老w·g·科里·m·a . Sozen和c·h·桑顿,“俄克拉何马城爆炸案:分析默拉大楼爆炸损坏的,”《构建设施的性能,12卷,不。3、113 - 119年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. b . m . Luccioni d·安布罗西尼,r . Danesi”Colapso estructural浅滩cargas explosivas,”Mecanica Computacional》第二十二卷,第970 - 957页,2003年。视图:谷歌学术搜索
3. h . corr和e·罗梅罗“Reconstruccion模D aparcamiento马德里巴拉哈斯第四节,”第四Resumenes del Congreso de Asociacion cientifico-tecnica del hormigon estructural(疼痛),2008年。视图:谷歌学术搜索
4. j·e·克劳福德“改造方法来减轻逐渐崩溃,”重要减灾委员会国家建筑科学研究所,2002年7月全国研讨会报告和建议为未来努力,2002年。视图:谷歌学术搜索
5. 美国Starossek,“类型学的逐渐崩溃,”工程结构卷,29号9日,第2307 - 2302页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. r·艾哈迈迪o . Rashidian r . Abbasnia f . Mohajeri导航和n . Usefi”实验和数值评价逐渐崩溃的行为扩展rc梁柱subassemblage,”冲击和振动ID 3748435条,卷。2016年,17页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. t·克劳萨默·r·l·霍尔s c·伍德森j . t . Baylot j·r·海耶斯和孙y”的发展进步的崩溃为结构分析程序和条件评估,”国防科技信息中心,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. g . Kaewkulchai和e·b·威廉姆森,”梁单元制定和解决方案过程动态进步崩溃分析,“计算机与结构,卷82,不。7 - 8,639 - 651年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. Z.-X y史。Li和h,“新方法分析爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架逐步崩溃,”工程结构,32卷,不。6,1691 - 1703年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. b . m . Luccioni r·d·安布罗西尼和r·f·Danesi“分析爆炸加载下的建筑物倒塌,”工程结构,26卷,不。1,第71 - 63页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. f .傅“进步崩溃分析高层建筑的三维有限元建模方法,”结构钢研究杂志》上,卷65,不。6,1269 - 1278年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. l·克瓦希涅夫斯基”非线性动态模拟多层建筑逐步崩溃,”工程结构,32卷,不。5,1223 - 1235年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j . o . HallquistLS-Dyna,理论手册,2006年版。
14. m·贝尔梅霍、p . Anastasio和j . m . Goicolea”方法校准结构有限元模型对钢筋混凝土结构受爆炸载荷,”第九届国际会议在结构动力学学报》上,2014年。视图:谷歌学术搜索
15. a . Abu-Odeh”建模与仿真的转向架影响混凝土桥梁使用ls-dyna rails,”诉讼国际LS-DYNA用户会议10日利弗莫尔软件技术公司,8 - 10,2008页。视图:谷歌学术搜索
16. d . Kosloff和g·a·弗雷泽”治疗沙漏模式低阶有限元代码,”数值和地质力学分析方法,卷2,不。1,57 - 72,1978页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. y·d·默里,a . Abu-Odeh和r·布莱评价LS-DYNA混凝土材料模型,159卷,2007年。
18. a . s .天”,介绍动态松弛(动态松弛法进行结构分析,利用计算机计算内力后发展从最初卸载状态),“工程师卷,219年,第221 - 218页,1965年。视图:谷歌学术搜索
19. m·贝尔梅霍j . m . Goicolea Gabaldon称,和a·桑托斯”影响和爆炸载荷对混凝土建筑物使用壳牌和梁式元素,”学报》第三届国际会议在结构动力学计算方法和地震工程(COMPDYN 11),2011年5月。视图:谷歌学术搜索
20. j . o . Hallquist et al。LS-DYNA字用户手册利弗莫尔软件技术公司,2013年版。
21. m·贝尔梅霍a·p·桑托斯j . m . Goicolea和a·佩雷斯”Evaluacion de accion explosivas尤其estructuras de hormigon阿曼多mediante elementos finitos,”通知de la Construccion,卷67,不。539,p . e095 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2017马里奥·贝尔梅霍等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。