SUPERVISOR
Hamid Hashemalhosseini,AmirMehdi Halabian
حمید هاشم الحسینی (استاد مشاور) امیرمهدی حلبیان (استاد راهنما)
STUDENT
Negar Naeimi
نگار نعیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Constitutive Modeling of Masonry Units in Masonry Structures to Be Implemented in Dynamic Numerical Analysis
Masonry is one of the oldest materials used in construction. During thousands of years, prominent features of masonry such as abundance, compatibility with most climate conditions, no need for expert labor in the building process, and durability and stability, have made it a favorable choice for construction. Although a major part of the existing buildings in Iran and other places around the world are of masonry, engineers’ knowledge and apprehension of these kinds of structures are not sufficient and effective. Therefore, further research towards a more extensive understanding of masonry behavior is still indispensable. The widespread and irreparable damages inflicted on inhabitants of masonry structures, during the recent earthquakes in Iran, evidently prove this fact. In the analysis of structures, above all, a constitutive model capable of simulating the behavior of materials is needed. It is crystal-clear that due to natural variables involved, providing a precise constitutive model is impossible. The complexity of the mechanical behavior of masonry and lack of an adequate set of material data has made analysis of masonry structures much more difficult in comparison to steel and concrete structures. Providing a cyclic constitutive model presents an even greater challenge compared to a monotonic one. This study is concerned with the extending of an existing monotonic constitutive model into a cyclic constitutive one. The existing monotonic constitutive model, based on the plasticity concept, is able to simulate the hardening and softening behavior of masonry. It utilizes two different yield surfaces: a Rankine type criterion and a Hill type criterion in order to predict different failure mechanisms in tension and compression respectively. According to this constitutive model, masonry is considered as an anisotropic homogenous material which shows different behaviors along each of the material’s axes (parallel and normal to bed joints). To extend the existing monotonic constitutive model into the cyclic one, the concept of equivalent strain is used in order to utilize the uniaxial stress-strain relations in the determination of unloading and reloading paths. Unloading and reloading curves are considered to be linear in tension. In compression, unloading and reloading curves are considered to be nonlinear and linear respectively. Furthermore, the hypothesis of linear elastic unloading and reloading is assumed for the shear component. The developed cyclic constitutive model is implemented in a finite-element software with the ability of programming and then it is verified by comparing the predicted numerical responses with the behavior measured in reliable experiments. As a result, this model has the capability of predicting the main characteristics of hysteresis curves such as stiffness and strength degradation, residual relative displacements at zero stress, crack closing and reopening and energy dissipation. Hence, it can be implemented in macro-modeling simulation of masonry structures under both monotonic and cyclic loading. Keywords: Masonry, in-plane behavior, macro-modeling, hysteresis curve, finite element method
مصالح بنایی یکی از قدیمی ترین مصالح مورد استفاده در ساختمان سازی است. فراوانی، سازگاری با اکثر شرایط آبوهوایی، عدم نیاز به نیروی متخصص در ساخت و دوام و پایداری مصالح بنایی از جمله دلایلی است که موجب شده این مصالح پیوسته درساخت وسازها مورد توجه قرار گیرد. بخش عظیمی از ساختمان های موجود در ایران و بسیاری از نقاط جهان از مصالح بنایی ساخته شده است. با این وجود، درک و دانش مهندسان سازه نسبت به رفتار این نوع سازه ها کافی نیست و کماکان تحقیقات بیش تر به منظور شناخت صحیح رفتار مصالح بنایی به عنوان یک ضرورت مطرح است. این ضرورت در کشور ما که بر روی کمربند زلزله واقع شده و ساکنان ساختمان های بنایی آن طی زلزله های اخیر خسارات جبران ناپذیری را متحمل شده اند، بیش از سایر نقاط حس می شود. در آنالیز رفتار سازه ها پیش از هر چیز به یک مدل رفتاری که توانایی شبیه سازی رفتار مصالح را داشته باشد نیاز است. بدیهی است همواره ارائه ی یک مدل ساختاری دقیق امکان پذیر نیست زیرا که در نظر گرفتن کلیه ی متغیرهای طبیعی دخیل غیرممکن است. این موضوع در مورد مصالح بنایی نسبت به دیگر مصالح موجود، هم چون بتن و فولاد، مصداق بیش تری دارد. پیچیدگی های رفتار مکانیکی مصالح بنایی از یک سو و عدم دسترسی به پارامترهای مادی اجزاء تشکیل دهنده ی آن از سوی دیگر گواه این مطلب است. ارائه ی یک مدل رفتاری که توانایی پیش بینی خواص هیسترزیس مصالح را داشته باشد باز هم از ارائه ی مدل رفتاری منوتونیک دشوار تر بوده و نیازمند شناخت دقیق رفتار مصالح در حالات مختلف بارگذاری تناوبی است. در این تحقیق تلاش شده است با استفاده از نتایج آزمایش های سیکلیک موجود یک مدل رفتاری منوتونیک به یک مدل رفتاری تناوبی توسعه داده شود. مدل رفتاری منوتونیک بر پایه ی مفاهیم پلاستیسیته فرمول بندی شده و توسط دو سطح تسلیم، از نوع رانکین و هیل به ترتیب در شکست کششی و فشاری، قابلیت مدل سازی رفتار سخت شونده و نرم شونده ی مصالح را دارد. بر اساس این مدل رفتاری، مصالح بنایی یک ماده ی همگن و غیرایزوتروپ در نظر گرفته می شود که در هر یک از دو راستای اصلی ماده (موازی و عمود بر درزه های خوابیده) رفتاری متفاوت از راستای دیگر نشان می دهد. در توسعه ی مدل منوتونیک به سیکلیک و در داخل سطح تسلیم از مفهوم کرنش معادل استفاده شده به طوری که بتوان از روابط تک محوری تنش-کرنش در تعیین مسیرهای باربرداری و بارگذاری مجدد کمک گرفت. مسیرهای باربرداری و بارگذاری مجدد در کشش به صورت یکسان و با یک خط تعریف شده اند. در فشار، مسیر باربرداری غیرخطی و بارگذاری مجدد خطی در نظر گرفته شده و فرضیه ی باربرداری و بارگذاری مجدد الاستیک خطی برای مؤلفه ی برشی پذیرفته شده است. مدل رفتاری سیکلیک توسعه داده شده در یک نرم افزار اجزاء محدود که قابلیت برنامه نویسی را داشته پیاده شده و اعتبار آن در مقایسه با داده های آزمایشگاهی موجود سنجیده شده است. نتایج حاکی از آن است که این مدل رفتاری توانایی پیش بینی ویژگی های منحنی هیسترزیس از جمله کاهش سختی و مقاومت، کرنش پسماند در تنش صفر، باز و بسته شدن ترک ها و اتلاف انرژی طی سیکل های متوالی بارگذاری-باربرداری را تا حد قابل قبولی دارد و می تواند در مدل سازی مصالح بنایی به روش ماکرو به کار گرفته شود. کلمات کلیدی مصالح بنایی، رفتار درون صفحه، مدل رفتاری ماکرو، منحنی هیسترزیس، روش اجزاء محدود