Dynamic analysis of concrete structures with finite elements

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018.Atualmente, estudos do comportamento mecânico sob carregamentos dinâmicos de estruturas de concreto armado por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF) apresentam dificuldades na análise da armadura. Isto é devido às limitações das metodologias usadas na modelagem da armadura no MEF, como a localização dos elementos que representam a armadura dentro dos elementos que representam o concreto ou a discretização do domínio do problema. Neste contexto, no presente trabalho é usado o método semi-embutido (semi-embedded) para a modelagem da armadura. Este método supera as limitações mencionadas dos outros métodos, permitindo conhecer o comportamento da armadura e do contato entre materiais sem restrições de localização ou discretização do domínio. Para realizar a implementação da metodologia proposta no MEF é necessário o uso de métodos de resolução numérica para problemas que dependem do tempo e que levam em conta a não linearidade física dos materiais representada com seus modelos constitutivos. Entre os modelos constitutivos usados para os elementos de concreto se encontram os modelos elástico linear, de Drucker-Prager e de Mazars. Para os elementos de aço utiliza-se o modelo elasto-plástico perfeito. Por sua vez, para o contato aço-concreto são usados os modelos elástico linear e o modelo não linear proposto pelo código CEBFIP (2010). Para a resolução numérica do problema foi implementado um código que combina os métodos de Newton-Raphson, que soluciona o problema da não linearidade, e de Newmark que resolve o equilíbrio dinâmico para a variação das solicitações no tempo. No trabalho foram realizadas análises dinâmicas de estruturas de concreto armado submetidas a diferentes solicitações, divididas em duas partes. A primeira consistiu em validações do modelo usando exemplos apresentados na literatura e problemas modelados no programa Abaqus, obtendo resultados satisfatórios. As análises restantes consistiram em exemplos propostos pelo autor onde foram modeladas estruturas como vigas e pórticos submetidos a diferentes condições de contorno e sismo. Entre os resultados das modelagens se encontram a variação de deslocamentos, tensões no concreto, tensões axiais nas barras e tensões cisalhantes nos contatos entre os materiais. Finalmente, após as modelagens realizadas chegou-se a diferentes conclusões do trabalho, onde pode-se citar por exemplo, a importância de considerar o comportamento da armadura nas regiões próximas aos apoios e conexões. Isto porque nestes locais os elementos sólidos tendem a ter um comportamento não linear, seja por plastificação ou dano, que deriva na redistribuição de tensões transmitindo parte das tensões suportadas pelo concreto à armadura.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).Currently, studies of the mechanical behavior under dynamic loading of reinforced concrete structures through the Finite Element Method (FEM) present difficulties in the analysis of the reinforcement. This is due to the limitations of the methodologies used in the modeling of the rebars in the FEM, such as the location of the elements that represent the reinforcement within the elements that represent the concrete or the discretization of the domain of the problem. In this context in the present work the semi-embedded methodisusedforthemodelingofthereinforcement. Thismethodovercomesthementioned limitations of the other methods, allowing to know the behavior of the rebars and the contact between materials without restrictions of location or discretization of the domain. To implement the methodology proposed in the FEM it is necessary to use numerical resolution methods for time-dependent problems that take into account the physical non-linearity of the materials represented with their constitutive models. Among the constitutive models used for the concrete elements are the linear elastic, Drucker-Prager and Mazars models. For the elements of steel the perfect elasto-plastic model is used. For the steel-concrete contact, the linear elastic models and the non-linear model proposed by the CEB-FIP code (2010) are used. For the numerical resolution of the problem, a code was implemented that combines the methods of Newton-Raphson, which solves the problem of non-linearity, and of Newmark that solves the dynamic equilibrium for the variation of the requests in time. In the work, dynamic analyzes of reinforced concrete structures submitted to different requests were carried out, divided into two parts. The first one consisted of validations of the model using examples presented in the literature and problems modeled in the Abaqus program, obtaining satisfactory results. The remaining analyzes consisted of examples proposed by the author where structures such as beams and frames were submitted to different contour and earthquake conditions. Among the modeling results are the variation of displacements, tensions in concrete, axial stresses in the bars and shear stresses in the contacts between the materials. Finally, after the modeling, it was reached different conclusions of the work, where it can mention, for example, the importance of considering the behavior of the reinforcement in the regions near the supports and connections. This is because in these places the solid elements tend to have a non-linear behavior, either by plastification or damage, that results in the redistribution of tensions transmitting part of the tensions supported by the concrete to the reinforcement