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Title in Portuguese: Modelos constitutivos para análise dinâmica não linear de pórticos planos de concreto armado
Author: Matias, Bergson da Silva
Advisor(s): Parente Junior, Evandro
Co-advisor(s): Araújo, Tereza Denyse Pereira de
Keywords: Engenharia de estruturas
Método dos elementos finitos
Plasticidade - Teoria
Numerical implementation
Finite element method
Theory of plasticity
Continuum damage mechanics
Issue Date: 24-Aug-2018
Citation: MATIAS, B. da S. Modelos constitutivos para análise dinâmica não linear de pórticos planos de concreto armado. 2018. 135 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)-Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: O estudo do comportamento das estruturas de concreto armado é objeto de grande importância para a Engenharia Civil. O avanço tecnológico e o avanço dos processos construtivos são responsáveis pela possibilidade de estruturas cada vez mais esbeltas. Junto a estes avanços, a preocupação com os efeitos não lineares físicos e geométricos e com os efeitos dinâmicos nestas estruturas também cresce. Visando contribuir para o estudo do comportamento de estruturas de concreto armado, este trabalho busca desenvolver ferramentas computacionais capazes de modelar de forma adequada os efetos não lineares e dinâmicos em pórticos planos de concreto armado. Este trabalho tem foco na implementação de modelos constitutivos unidimensionais de concreto baseados na Teoria da Plasticidade e na Mecânica do Dano Contínuo. Dois modelos constitutivos unidimensionais de concreto são implementados. O primeiro baseado no modelo clássico de dano isotrópico de Mazars e o segundo no modelo de plasticidade com dano acoplado desenvolvido por Lee e Fenves. A implementação do segundo modelo constitutivo é feita através do desenvolvimento de um algoritmo de retorno baseado no Método de Newton- Raphson. Além da contribuição na análise não linear física do concreto armado, também é implementado um algoritmo de integração numérica para análises dinâmicas não lineares, o - Generalizado. Este algoritmo é capaz de reduzir problemas de instabilidade numérica (comuns em problemas não lineares) através do amortecimento numérico das frequências de vibração mais altas. Com esta característica, o -Generalizado se torna mais atrativo quando comparado a métodos clássicos, como os Métodos de Newmark, para análises não lineares. Os modelos constitutivos e o algoritmo de integração numérica são implementados no programa acadêmico FAST (Finite Element Analysis Tool), desenvolvido no Laboratório de Mecânica Computacional e Visualização (LMCV) da Universidade Federal do Ceará (UFC). O FAST já contempla a análise não linear geométrica de elementos sob grandes deslocamentos através de uma formulação corrotacional, assim como modelos constitutivos não lineares elásticos de concreto e aço. Os exemplos de validação e de verificação mostraram que as ferramentas implementadas são capazes de capturar alguns dos principais efeitos não lineares presentes em estruturas de concreto armado, como a degradação da rigidez e o surgimento de deformações plásticas.
Abstract: The study of the behavior of reinforced concrete structures is of great importance for Civil Engineering. Thecnological and constructive methods advancements are responsible for the possibility of increasingly slender structures. With these advancements, concern about material and geometric nonlinear effects and about dynamic effects is growing. In order to contribute to the study of the behavior of reinforced concrete structures, this work aims to develop computational tools capable of correct modeling the nonlinear and dynamic effects in 2D reinforced concrete frames. This work focuses on the implementation of one-dimensional constitutive models based on the Theory of Plasticity and the Continuum Damage Mechanics. Two one-dimensional concrete constitutive models are implemented. The first model is based on the classical isotropic Mazars’ damage model and the second one is based on the plasticdamage model developed by Lee and Fenves. The implementation of the second constitutive model is done through the development of a return mapping algorithm using a Newton-Raphson method. Furthermore the contribution in the nonlinear material behavior of reinforced concrete, a numerical integration algorithm for nonlinear dynamic analysis is also implemented, the Generalized- method. This algorithm is able to reduce numerical instability problems (common in nonlinear problems) through the introduction of numerical damping in the higher vibration modes. With this property, the Generalized-a method becomes more attractive for nonlinear analysis than classical methods, as well the Newmark’s family of methods. The constitutive models are implemented in the academic software FAST (Finite Element Analysis Tool), developed at Laboratory of Computational Mechanics and Visualization (LMCV) from the Federal University of Ceará (UFC). FAST already owns geometrically nonlinear analysis of finite elements under large displacements through a corotational formulation, as well nonlinear elastic constitutive models for concrete and reinforced steel. The validation and verification examples showed that the implemented tools are able to capture some of the main nonlinear effects present in reinforced concrete structures, such as the stiffness degradation and the appearance of plastic strains.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/43223
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