is Íslenska en English

Lokaverkefni (Meistara) Háskólinn í Reykjavík > Tækni- og verkfræðideild > MEd / MPM / MSc verkefni >

Vinsamlegast notið þetta auðkenni þegar þið vitnið til verksins eða tengið í það: http://hdl.handle.net/1946/16817

Titill: 
  • Titill er á ensku Simulation of non-linear response of a shear wall and foundation comparing finite and macro element techniques
Námsstig: 
  • Meistara
Útdráttur: 
  • Útdráttur er á ensku

    Reinforced concrete shear walls have proven to be very effective in resisting lateral loads produced in structures during earthquake action. To ensure reliability in the design of such walls, the response to earthquake induced actions should ideally be analyzed using the nonlinear properties of the wall as well as considering external non-linearity effects such as soil-structure interaction. Preferably a range of earthquake records should be used in the analysis process to get a good overview of the structural response since the structure and the substructure can be sensitive to the magnitude, load pattern and frequency content of the earthquake. This type of analysis is only possible using computer models. The most common method used for computer modeling of structures is the finite element method. The use of the finite element method to solve earthquake response of the models when considering all the involved non-linearities is a time consuming process. Therefore designers generally rely on simplified formulations and empirical methods provided within design codes. The shortcomings of using design codes is that the formulas provided rely on a rather limited set of shape functions and spectral charts to determine the earthquake induced responses. Non-linear effects are mostly considered indirectly through estimated behavior factors and soil classifications.
    To address the need for improved earthquake design process there is an ongoing development of macro elements that can replace the use of standard finite elements for non-linear analysis. The use of macro elements instead of finite elements can reduce the scope of the model and thus reduce the time needed to calculate the earthquake induced response. The drawback of using macro elements are that the equations are based on certain assumptions and simplifications which engineers must be aware of to be able to choose the appropriate elements for their analysis and as a result macro elements are less versatile than the standard finite elements.
    This study compares the use of finite and macro elements utilized to model a squat shear wall resting on a soil bed to be used for simulation of earthquake induced response. The programs used are Ansys for the finite element modeling and OpenSees for macro element modeling.
    The results show that for a lateral pushover test the macro elements response to loading still lacks non-linear capabilities when using the finite element calculations as a baseline. For the soil modeling the macro element model is found to be much simpler in setup than the finite element model but needs special care in calibration of the end stiffnesses. The simulation of granular soil in the finite element model was problematic and could use further investigation.
    In all the tests performed the non-linear macro element model calculations were solved within minutes from executing the analysis while the non-linear finite element models required from few hours to some days to solve.
    Based on the comparison of these case studies, a simulation trying to capture non-linear behavior of material and deformation of the wall is still somewhat lacking when using these macro elements, the setup of the BNWF is simple enough but the end stiffness needs to be attuned so as the both models would yield similar results. The benefit in reduced calculation time is however apparent and a reason enough to continue the development of macro elements for earthquake response calculations.

  • Járnbentir steinsteyptir skerveggir hafa sannað gildi sitt þegar kemur að því að standast lárétta áraun í jarðskjálftum. Til að tryggja að hönnun slíkra veggja sé fullnægjandi ætti svörun þeirra við jarðskjálftaáraun að vera greind með tilliti til ólínulegra eiginleikja veggjarins sem og ólínulegra áhrifa vegna víxlverkunar milli jarðvegs og byggingar. Til að fá góða mynd af svörununni er æskilegt að nota fjölda af jarðskjálftaröðum þar sem stærð, stefna og tíðni innihald jarðskjálfta hefur áhrif á svörun veggjar. Helsta aðferðin til að reikna svörun við jarðskjálftaáraun er að nota tölvulíkön sem nýta sér einingaraðferðina til útreikninga, en hún getur orðið bæði flókin og seinleg þegar um ólínulega greiningu er að ræða. Þess í stað nota hönnuðir hönnunarstaðla og reynslujöfnur sem gefnar eru upp í þeim. Þessar reynslujöfnur eiga þó aðeins við um takmarkað sett af formum bygginga og svörunarrófa, sem er ókostur. Þar kemur ólínuleg hegðun einungis óbeint við sögu í gegnum val á hegðunarstuðli. Jafnframt þá gilda staðalleiðbeiningar fyrst og fremst fyrir einföld regluleg mannvirki auk þess sem form svörunarrófs er staðlað og eingöngu háð vali á grunnhröðunargildi og jarðvegsflokki. Þessi tvö skilyrði henta oft illa raunverulegum óreglulegum mannvirkjum nálægt upptökum jarðskjálfta.
    Til þess að hagkvæmt sé að hanna veggi með ólínulegum tölvulíkönum þarf að stytta þann reiknitíma sem núverandi einingaraðferð tekur, sérstaklega þegar tekið er tillit til áhrifa grundunnar. Til þess hafa verið hannaðar fjöleiningar (macro elements) sem herma eftir afmörkuðum þáttum í hegðun burðareininga. Takmörkun á hegðun fækkar þeim jöfnum sem þarf að reikna og þar af leiðandi taka slíkir útreikningar skemmri tíma. Aftur á móti þarf hönnuðurinn að gera sér grein fyrir takmörkunum fjöleininganna þannig að viðeigandi fjöleiningar séu valdar fyrir viðeigandi burðareiningu. Niðurstöðurnar eru einnig takmarkaðri þar sem ekki er lengur hægt að fylgjast með hegðun einstakra eininga í líkaninu.
    Í þessari rannsókn er gerður samanburður á lágum skerveggjum þar sem svörun líkana sem notast við einingar- og fjöleiningaraðferð eru borin saman. Tekið er tillit til ólínulegra eiginleika steinsteyptra veggja og svo jarðvegs og þeirrar víxlverkunar sem á sér stað milli jarðvegs og veggjar. Einingarlíkön eru sett upp í forritinu Ansys en fjöleiningarlíkön í OpenSees.
    Fjöleiningarlíkönin þar sem veggirnir urðu fyrir hliðaráraun sýndu að ólínulegum eiginleikum fjöleininganna er ábótavant þegar miðað er við niðurstöður einingaraðferðarinnar. Þegar jarðvegshluti líkansins var skoðaður kom í ljós að fjöleiningaraðferðin var heppilegri til að herma eftir svörun jarðvegs en þó þarf að stilla endastífleika líkansins til að samræmast betur niðurstöður einingarlíkansins. Það er nokkrum erfiðleikum háð að herma eftir efniseiginleikum kornótts jarðvegs þegar notast er við einingaraðferð og þarfnast frekari skoðunar.
    Líkön sem voru gerð með fjöleiningaraðferð voru yfirleitt reiknuð á fáeinum mínútum, aftur á móti líkön gerð með einingaraðferð voru reiknuð á nokkrum klukkustundum og upp í nokkra daga.
    Þegar báðar aðferðirnar eru bornar saman kemur í ljós að fjöleiningarnar skila ekki nógu góðum niðurstöðum þegar þær eru notaðar til að herma eftir broti veggjar. Hinsvegar er munur í reiknitíma það mikill að það réttlætir frekari rannsóknir til að fá fjöleiningar til að ná að herma betur eftir hegðun skerveggja.

Samþykkt: 
  • 30.10.2013
URI: 
  • http://hdl.handle.net/1946/16817


Skrár
Skráarnafn Stærð AðgangurLýsingSkráartegund 
Simulation of non-linear response of a shear wall and foundation comparing finite and macro element techniques.pdf5.5 MBOpinnHeildartextiPDFSkoða/Opna