Numerical calculation model for the global analysis of concrete structures with masonry walls

Abstract

The numerical simulation in the field of civil engineering, while widely used in structural design, has not benefited from the full potential offered by new technologies for the analysis and design of composite materials within the framework of the finite element, technologies that are already present in industries such as automotive, aerospace and shipbuilding. This thesis is based on the numerical simulation, and emerges as the need to combine and improve existing technologies in the field of finite element analysis for composite materials, to assess the overall structural behavior of reinforced concrete buildings with masonry in-fills, and consequently, to support the derivation of rational rules for analysis and design purposes. Prior to the beginning of this thesis, a huge concern was the large amount of computational resources needed for both solving systems of linear equations resulting from the use of the finite elements method, and for storing internal variables needed in the integration of constitutive models. Therefore, in this work, computational strategies used to enable the analysis of real life structures are also provided. The simplicity required to handle meshes with high amount of finite elements pushed us to develop a new layered finite element, that can reproduce the non-linear behavior of its constituent materials when there are out-of-plane stresses, this, without having to introduce additional degrees of freedom. The finite element proposed has been com- pared to finite element with different kinematics obtaining excellent results. The robustness and efficiency of the developed methodology for analysis of masonry and concrete buildings, is conditioned by the ability of using different patterns of steel reinforcement, which are typically presented in real life structures. That is why it has also been necessary to develop a computing program capable of reading both finite element meshes, and patterns of fibers represented with convex polygons, and as a result of areas intersections between polygons returns volumetric participation of fiber and matrix of constituents materials for each layer, in addition had to return the fiber orientation with respect to the local axis of the finite element. The numerical results obtained have been compared in some cases with experimental results available in the literature, in other cases, with numerical results obtained using Building Codes, in both cases, there have been good agreement between them. Finally, it has been possible to characterize a representative medium-rise building of Mexico City using the capacity spectrum method. This method is widely used nowadays for the assessment of building behavior, since using fragility curves can represent the ability of a building to resist an earthquake.

La simulación numérica en el campo de la ingeniera civil, aunque es ampliamente utilizada en el diseño estructural, no se ha beneficiado de todo el potencial que ofrecen las nuevas tecnologías para el análisis y diseño de materiales compuestos dentro del marco de los elementos finitos, tecnologías que ya están presenten en industrias como la automotriz, aeroespacial o la naval. Este trabajo de tesis esta basado en la simulación numérica, y surge como la necesidad de combinar y mejorar tecnologías existentes en el campo de los elementos finitos y de análisis de materiales compuestos, para conocer el comportamiento estructural global de los edificios de hormigón armado con rellenos de mampostería, y para apoyar en la derivación de reglas racionales con fines de diseño. Una preocupación previa al inicio de esta tesis doctoral, era la gran cantidad de recursos computacionales necesarios, tanto para la resolución de los sistemas de ecuaciones lineales resultantes con el uso del método de los elementos finitos, como para el almacenamiento de variables internas necesarias en la integración de modelos constitutivos. Por ello, dentro de este trabajo, también se proporcionan las estrategias computacionales usadas que permiten el análisis de estructuras de la vida real. La simplicidad requerida para el manejo de mallas con gran cantidad de elementos finitos lleva a desarrollar un elemento de l¿amina con diferentes capas, que pueda reproducir el comportamiento no lineal de sus materiales componentes cuando existen tensiones fuera del plano, sin que haya que introducir grados de libertad adicionales. El elemento finito propuesto ha sido comparado con elementos finitos de diferente cinemática obteniendo excelentes resultados. La robustez y eficiencia de la metodología desarrollada para el análisis de edificios de hormigón y mampostería, esta condicionada a la capacidad de utilizar los diferentes patrones de acero de refuerzo que típicamente se presentan en estructuras de la vida real. Es por ello que también ha sido necesario desarrollar un programa de computo capaz de leer tanto una malla de elementos finitos, como un patrón de fibras representado con polígonos convexos, y que mediante operaciones de intersecciones de ¿áreas entre polígonos, de como resultado la participación volumétrica de matriz y fibra de los materiales componentes por cada capa, además de la orientación de la fibra con respecto a los ejes locales del elemento finito. Los resultados numéricos obtenidos se han comparado con resultados experimentales presentes en la literatura, y con resultados numéricos obtenidos utilizando normas de construcción, en ambos casos, se han observado buenos ajustes entre ellos. Finalmente,ha sido posible caracterizar un edificio representativo ubicado en la Ciudad de México usando el método del espectro de capacidad. Dicho método es ampliamente utilizado hoy en día para el diseño y evaluación sismo-resistente de estructuras, ya que mediante el uso de curvas de fragilidad permite representar la susceptibilidad de una estructuraa ser dañada debido a un terremoto.