Razvoj numeričkih modela armirano-betonskih i kamenih zidanih konstrukcija izloženih potresnom opterećenju zasnovanih na diskretnim pukotinama

Development of numerical models for reinforced-concrete and stone masonry structures under seismic loading based on discrete cracks (SeismoNuMod)


Sažetak projekta

Pojava pukotina je jedan od dominantnih uzroka nelinearnosti u krtim i kvazi-konstrukcijama koja dovodi do pojave lokaliziranog sloma i predstavlja ozbiljan izazov u numeričkom modeliranju. Proces nastanka pukotina započinje na mikrorazini, a progresivnim srastanjem stvaraju se makropukotine koje predstavljaju diskontinuitet u materijalu. Precizno modeliranje otvaranja i zatvaranja pukotina jedan je od ključnih čimbenika koji utječe na pouzdanost modela za analizu konstrukcija, posebno onih izloženih potresnom opterećenju. Sofisticirani numerički modeli temeljeni na metodi odgovora u vremenu i inkrementalnoj dinamičkoj analizi imaju značajnu ulogu u simulaciji ponašanja takvih konstrukcija prije i poslije sloma. U ovom projektu planira se razvoj dvaju nelinearnih modela za inkrementalnu dinamičku analizu konstrukcija zasnovanih na diskretnim pukotinama s različitim pristupima u rješavanju ovog problema. Jedan će biti novi 3D model za potresno opterećene armirano-betonske i kamene zidane konstrukcije ojačane trnovima i klamfama, zasnovan na metodi kombiniranih konačno-diskretnih elemenata kod koje pukotine nastaju u kontaktnim elementima smještenima duž rubova konačnih elemenata. Model će omogućiti raspucavanje, dinamičku interakciju razdvojenih elementa i praćenje ponašanja konstrukcije prije i nakon sloma. Drugi model će biti zasnovan na metodi konačnih elementa s ugrađenim diskontinuitetom i ugrađenom armaturom koja omogućuje nastanak pukotina neovisno o mreži konačnih elemenata i primijenit će se na armirano-betonske konstrukcije. Validacija razvijenih modela će se provesti usporedbom s dostupnim rezultatima eksperimentalnih istraživanja, dok se u svrhu validacije modela za kamene zidane konstrukcije planiraju provesti vlastiti eksperimenti na potresnoj platformi. Na kraju će se provesti usporedne analize ponašanja konstrukcija s oba modela.


Sudionici na projektu

Projektni tim čine istraživači s Fakulteta građevinarstva, arhitekture i geodezije u Splitu (FGAG Split) te s nekoliko institucija u inozemstvu:

  • Prof. dr. sc. Željana Nikolić (FGAG Split)
  • Prof. dr. sc. Pavao Marović (FGAG Split)
  • Doc. dr. sc. Nikolina Živaljić (FGAG Split)
  • Doc. dr. sc. Hrvoje Smoljanović (FGAG Split)
  • Doc. dr. sc. Ivan Balić (FGAG Split)
  • Dr. sc. Mijo Nikolić (FGAG Split)
  • Prof. dr. sc. Adnan Ibrahimbegović, Sorbonne Universités (UT Compiegne, Francuska)
  • Prof. dr. sc. Lidija Krstevska, IZIIS Skopje (Sveučilište Sv. Ćiril i Metoda Skopje, Makedonija)
  • Prof. dr. sc. Mladen Glibić (Sveučilište u Mostaru, Građevinski fakultet, BiH)
  • Mladen Kustura (Sveučilište u Mostaru, Građevinski fakultet, BiH)

Prof. dr. sc. Željana Nikolić, voditeljica projekta, je stručnjak u području mehanike konstrukcija, potresnog inženjerstva i razvoju numeričkih modela za simulaciju ponašanja građevinskih konstrukcija izloženih statičkom, dinamičkom i potresnom opterećenju. Autor je preko 100 znanstvenih radova iz ovog područja. Kao glavni istraživač ili suradnik aktivno je radila na nekoliko znanstvenih projekata s temom numeričkog modeliranja konstrukcija.

Prof. dr. sc. Pavao Marović, je iskusni istraživač i stručnjak u području ispitivanja svih vrsta konstrukcija (mostovi, kranske staze), elemenata konstrukcija (stropne konstrukcije, tribine stadiona), kao i modela konstrukcija. Sudionik je u nekoliko međunarodnih i domaćih projekata koji se odnose na eksperimentalna i numerička ispitivanja i analize ponašanja raznih vrsta konstrukcija. Autor je brojnih knjiga i znanstvenih članaka iz ovog područja.

Doc. dr. sc. Nikolina Živaljić, istraživač na projektu, bavi se razvojem numeričkih modela armirano-betonskih i zidanih konstrukcija izloženih dinamičkom i potresnom opterećenju.   

Doc. dr. sc. Hrvoje Smoljanović, istraživač na projektu, bavi se razvojem numeričkih modela kamenih zidanih konstrukcija, suvremenih zidanih konstrukcija i armirano-betonskih konstrukcija.

Doc. dr. sc. Ivan Balić, istraživač na projektu, bavi se analizom ponašanja armirano-betonskih konstrukcija izloženih potresnom djelovanju pomoću nelinearnih dinamičkih metoda.

Dr. sc. Mijo Nikolić, istraživač na projektu, bavi se razvojem numeričkih modela metodom konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetom te njihovom primjenom u mehanici konstrukcija i stijena.

Prof. dr. sc. Adnan Ibrahimbegović je vodeći svjetski stručnjak u području računalne mehanike i numeričkog modeliranja konstrukcija, zaposlen na Sorbonne Universités, UT Compiegne u Francuskoj. Posljednjih godina se sustavno bavi modeliranjem konstrukcija metodom konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetom. Surađuje s brojnim istraživačkim skupinama na sveučilištima diljem svijeta te s brojnim partnerima u industriji. Autor je 6 knjiga i preko 150 znanstvenih radova u međunarodnim časopisima iz ovog područja.

Prof. dr. sc. Lidija Krstevska je ekspert u analizi i eksperimentalnim istraživanjima konstrukcija pod statičkim i dinamičkim djelovanjima, zaposlena na Institutu IZIIS u Skopju, Makedonija. Autor je preko 140 znanstvenih radova i preko 160 studija iz ovog područja. Sudjelovala je na velikom broju međunarodnih znanstvenih projekta s temom potresnog inženjerstva.

Prof. dr. sc. Mladen Glibić je ekspert u području građevinskih konstrukcija zaposlen na Građevinskom fakultetu Sveučilišta u Mostaru. U posljednje vrijeme bavi se istraživanjima vezanima za rekonstrukciju starih kamenih zgrada te eksperimentalnim ispitivanjima kamenih konstrukcija.

Mladen Kustura je mladi istraživač zaposlen na Građevinskom fakultetu Sveučilišta u Mostaru. Trenutno radi na disertaciji s temom eksperimentalnih istraživanja kamenih zidanih konstrukcija koje provodi na institutu IZIIS Skopje.


Ciljevi projekta

Ovaj projekt sastoji se od nekoliko dijelova čiji je cilj izrada numeričkih modela ponašanja armirano-betonskih i ojačanih kamenih zidanih konstrukcija izloženih potresnom opterećenju zasnovanih na modelu diskretnih pukotina. Dijelovi projekta su slijedeći:

  • Razvoj 3D numeričkog modela armirano-betonskih konstrukcija izloženih potresnom opterećenju zasnovanog na metodi konačno-diskretnih elemenata
  • Razvoj 2D numeričkog modela armirano-betonskih konstrukcija izloženih potresnom opterećenju zasnovanog na metodi konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetom
  • Razvoj 3D numeričkog modela ojačanih kamenih zidanih konstrukcija izloženih potresnom opterećenju zasnovanog na metodi konačno-diskretnih elemenata te provedba eksperimenata potrebnih za validaciju rezultata
  • Usporedne analize ponašanja armirano-betonskih konstrukcija modelima konačno-diskretnih elemenata i konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetom


Aktivnosti

  • Izrada 3D modela za simulaciju ponašanja betonske konstrukcije za statičko i dinamičko opterećenje
  • Razvoj modela prostornih konačno-diskretnih elemenata armaturnih šipki i ugradnja u 3D model betona
  • Analiza AB konstrukcija za statičko, cikličko i potresno opterećenje te usporedba s dostupnim eksperimentalnim rezultatima
  • Razvoj hibridnog četveročvornog elementa za otvaranje pukotina unutar konačnog elementa zasnovanom na načelu ugrađenog diskontinuiteta za statičku i dinamičku analizu konstrukcija
  • Razvoj numeričkog modela armaturnih šipki s ugrađenim diskontinuitetom za simulaciju razvlačenja i kidanja armature u pukotini  
  • Analiza AB konstrukcija izloženih statičkom, cikličkom i potresnom opterećenju i usporedba s dostupnim eksperimentalnim rezultatima
  • Razvoj 3D modela kamenih zidanih konstrukcija za statičko i dinamičko opterećenje
  • Razvoj modela čeličnih klamfi i trnova i ugradnja u 3D model za kamene zidane konstrukcije
  • Verifikacija razvijenog 3D modela kamenih zidanih konstrukcija ojačanih klamfama i trnovima za statičko i cikličko opterećenje
  • Eksperimentalna istraživanja ponašanja postojeće kamene zidane konstrukcije Protiron na trgu Peristil u Dioklecijanovoj palači u Splitu na potresnoj platformi
  • Verifikacija razvijenog 3D modela kamenih zidanih konstrukcija ojačanih klamfama i trnovima za potresno opterećenje usporedbom s eksperimentalnim rezultatima konstrukcije Protiron dobivenima ispitivanjem na dinamičkoj platformi
  • Provedba usporednih analiza ponašanja AB konstrukcija s modelima konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetom i konačno-diskretnih elemenata i donošenje zaključaka u smislu efikasnosti, vremena trajanja proračuna, točnosti rezultata te primjenjivosti u praktičnim zadaćama istraživanja potresne otpornosti konstrukcija


Publikacije

Izvorni znanstveni radovi u CC časopisima:

Nikolić, M., Do, X. N., Ibrahimbegovic, A., Nikolić, Ž.: Crack propagation in dynamics by embedded strong discontinuity approach: Enhanced solid versus discrete lattice model. Computer methods in applied mechanics and engineering. 340, 480-499 (2018) (poveznica)

Smoljanović, H., Živaljić, N., Nikolić, Ž., Munjiza, A.: Numerical analysis of 3D dry-stone masonry structures by combined finite-discrete element method. International journal of solids and structures. 136-137, 150-167 (2018) (poveznica)

Nikolić, Ž., Živaljić, N., Smoljanović, H., Balić, I.: Numerical modelling of reinforced-concrete structures under seismic loading based on the finite element method with discrete inter-element cracks. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 46 (1), 159-178 (2017) (poveznica)

Smoljanović, H., Nikolić, Ž., Živaljić, N., Balić, I.: Stability of rigid blocks exposed to single-pulse excitation. Acta mechanica. 227 (6), 1671-1684 (2016) (poveznica)

Znanstveni radovi u drugim časopisima:

Nikolić, Ž., Živaljić, N., Smoljanović, H.: Influence of ductility classes on seismic response of reinforced concrete structures. Coupled Systems Mechanics. 7 (2), 177-195 (2018) (poveznica)

Nikolić, Ž., Krstevska, L., Marović, P., Smoljanović, H.: Shaking table test of scaled model of Protiron dry stone masonry structure. Proceedia Engineering. 199, 3386-3391 (2017) (poveznica)

Smoljanović, H., Živaljić, N., Nikolić, Ž., Munjiza, A.: Numerical model for confined masonry structures based on finite discrete element method. International journal for engineering modelling. 30 (1-4), 19-35 (2017) (poveznica)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical modelling of dry stone masonry structures based on finite-discrete element method. International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. 10 (8), 1032-1040 (2016) (poveznica)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical analysis of masonry structures by finite-discrete element model. International Journal of Masonry Research and Innovation. 1 (4), 330-350 (2016) (poveznica)

Plenarna izlaganja:

Nikolić, Ž., Živaljić, N., Smoljanović, H.: Influence of ductility classes to seismic response of reinforced concrete structures, In: Multiscale computational methods for solids and fluids. Ibrahimbegović, A., Boštjan, B., Kožar, I. (ur.), University of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering, Ljubljana, Slovenia, 64-65, (2017)

Pozvana predavanja:

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical modelling of strengthened dry-stone masonry structures, In: CD-ROM Proceedings of the abstracts of 12th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting ACE-X 2018. Öchsner, A., Altenbach, H. (ur.), ACEX - Advanced Computational Engineering and Experimenting, 40-40, (2018) (poveznica)

Nikolić, Ž.: Numerical and experimental investigations of the behaviour of historical stone masonry structures, In: International PhD Program, 31st Plenary Meeting, Technical University of Braunschweig. Braunschweig, Germany, (2017) (poveznica)

Znanstveni radovi u zbornicima skupova s međunarodnom recenzijom:

Nikolić, Ž., Živaljić, N., Smoljanović, H.: Influence of ductility classes to seismic response of reinforced concrete structures, In: Multiscale computational methods for solids and fluids. Ibrahimbegović, A., Boštjan, B., Kožar, I. (ur.), University of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering, Ljubljana, Slovenia, 64-65, (2017) (poveznica)

Nikolić, Ž., Krstevska, L., Marović, P., Smoljanović, H.: Shaking table test of scaled model of Protiron dry stone masonry structure, In: Proceedings of the X International Conference on Structural Dynamics. Vestroni, F., Gattulli, V., Romeo, F. (ur.), Sapienza University of Rome, Rome, Italy, 3386-3391, (2017) (poveznica)

Nikolić, M., Ćesić, J., Ibrahimbegović, A., Nikolić, Ž.: Lattice model for failure based on embedded strong discontinuities in dynamic framework, In: Proceedings of the XIV International Conference on Computational Plasticity - Fundamentals and Applications. Oñate, E., Owen, D.R.J., Peric, D., Chiumenti, M. (ur.), CIMNE, Barcelona, Spain, 568-575, (2017) (poveznica)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical modelling of dry stone masonry structures based on finite-discrete element method, In: Conference proceedings of the World Academy of Science, Engineering and Technology, WASET. International scholarly and scientific research & innovation, Venice, Italy, 18 (8) Part VIII, 1104-1112, (2016) (poveznica)

Živaljić, N., Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Balić, I.: Finite-discrete numerical modelling of reinforced concrete structures, In: Proceedings of the VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS Congress 2016. Papadrakakis, M., Papadopoulos, V., Stefanou, G., Plevris, V. (ur.), Crete Island, Greece, 7522.pdf, (2016) (poveznica)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical Analysis of Masonry Structures by Finite Discrete Element Model, In: Proceedings of the 8th International Congress of Croatian Society of Mechanics. Kožar, I., Bićanić, N., Jelenić, G., Čanađija, M. (ur.), Opatija, Croatia, Croatian Society of Mechanics, (2015) (poveznica)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Application of finite discrete element method in dynamic analysis of masonry structures, In: Proceedings of the XIII International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications. Oñate, E., Owen, D.R.J., Peric, D., Chiumenti, M. (ur.), Barcelona, Spain, 1020-1031, (2015) (poveznica)

Drugi radovi u zbornicima skupova s recenzijom:

Živaljić, N., Smoljanović, H., Nikolić, Ž.: Utjecaj energije loma na predložak pukotina betonskih blokova, U: Zbornik radova Sedmog susreta Hrvatskog društva za mehaniku. Marović, P., Galić, M., Krstulović-Opara, L. (ur.), Split, Hrvatska, Hrvatsko društvo za mehaniku, 217-222, (2016) (poveznica)

Sažeci u zbornicima skupova:

Nikolić, Ž., Krstevska, L., Marović, P., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Integrated Approach in Analysis of Historical Ancient Monuments, In: Book of Abstracts - 9th International Congress of Croatian Society of Mechanics. Marović, P., Krstulović-Opara, L., Galić, M. (ur.), Split, Croatia, Croatian Society of Mechanics, 77-77, (2018) (poveznica)

Živaljić, N., Nikolić, Ž., Smoljanović, H.: Finite-discrete element modelling of spatial reinforced concrete structures, In: Book of Abstracts - 9th International Congress of Croatian Society of Mechanics. Marović, P., Krstulović-Opara, L., Galić, M. (ur.), Split, Croatia, Croatian Society of Mechanics, 105-105, (2018)

Živaljić, N., Nikolić, Ž., Smoljanović, H.: Numerical Simulation of Reinforced Concrete Structure Fragmentation under the Impact Load, In: CD-ROM Proceedings of the abstracts of 12th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting ACE-X 2018. Öchsner, A., Altenbach, H. (ur.), Amsterdam, Netherland, 39-39, (2018)

Nikolić, M., Do, X. N., Ibrahimbegovic, A., Nikolić, Ž.: Energy balance in simulations of dynamic localized failure propagation with strain softening, In: ECCM-ECFD 2018 (6th European Conference on Computational Mechanics, 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics). Kleiber, M., Van Brummelen, H., Papadrakakis, M. (ur.), Glasgow, UK, 1-1, (2018)

Smoljanović, H., Živaljić, N., Nikolić, Ž., Krstevska, L.: Numerical modelling of metal connectors in historical dry-stone masonry structures, In: ECCM-ECFD 2018 (6th European Conference on Computational Mechanics, 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics). Kleiber, M., Van Brummelen, H., Papadrakakis, M. (ur.), Glasgow, UK, 1-1, (2018)

Nikolić, Ž., Krstevska, L., Marović, P., Smoljanović, H.: Shaking table test of scaled model of Protiron dry stone masonry structure, In: Book of Abstracts of the X International Conference on Structural Dynamics. Vestroni, F., Gattulli, V., Romeo, F. (eds.), Sapienza University of Rome, Rome, Italy, 230-230, (2017)

Nikolić, Ž., Krstevska, L., Kustura, M., Živaljić, N., Smoljanović, H., Marović, P., Glibić, M.: Experimental investigations of the behaviour of strengthened stone masonry structures, In: CD-ROM Proceedings of the abstracts of 11th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting, ACE-X 2017. Öchsner, A., Altenbach, H. (ur.), Vienna, Austria, 60-60, (2017)

Živaljić, N., Smoljanović, H., Nikolić, Ž., Balić, I.: Numerical modelling of reinforcing concrete structures by finite-discrete element method, In: CD-ROM Proceedings of the abstracts of 10th International Conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting, ACE-X 2016. Öchsner, A., Altenbach, H. (ur.), Split, Croatia, 40-40, (2016)

Nikolić, Ž., Smoljanović, H., Živaljić, N.: Numerical Analysis of Masonry Structures by Finite Discrete Element Model, In: Book of Abstracts - 8th International Congress of Croatian Society of Mechanics. Kožar, I., Bićanić, N., Jelenić, G., Čanađija, M. (ur.), Opatija, Croatia, Croatian Society of Mechanics, (2015)


Fotogalerija

Suradnici na projektu na radnom sastanku održanom 31.03.2016. u Splitu (s lijeva na desno: Hrvoje Smoljanović, Mijo Nikolić, Ivan Balić, Nikolina Živaljić, Lidija Krstevska, Željana Nikolić, Pavao Marović, Mladen Glibić, Mladen Kustura)

Konstrukcija Protiron na trgu Peristil u Dioklecijanovoj palači u Splitu

Model konstrukcije Protiron - diskretizacija

Fizikalni model konstrukcije Protiron (Skopje, 25.08.2016.)

Postavljanje stupova

Slaganje kamenih blokova

Model Protirona

Video: Testiranje na potresnoj platformi, IZIIS Skopje (kliknite za prikaz videa)

Testiranje kamenih blokova povezanih klamfom ili trnom: (a) uzorci i oprema; (b) uzorak za testiranje izvlačenja klamfe; (c) uzorak za testiranje izvlačenja trna (testiranje u laboratoriju instituta IZIIS Skopje u Makedoniji)

Postavke za Kalthof-ov eksperiment

Video: Kalthof-ov eksperiment: otvaranje pukotina u uzorku izloženom udarnom opterećenju, simulacija pomoću diskretnog rešetkastog modela, primijenjena brzina udara v0 = 16.5 m/s (kliknite za prikaz videa)

Profesorica Lidija Krstevska sa Sveučilišta Sv. Ćiril i Metod u Skopju je dana 17.05.2018. održala predavanje pod naslovom “Eksperimentalna mehanika”.

Profesor Adnan Ibrahimbegović sa Sveučilišta UTC Sorbonne u Francuskoj je 12.09.2018. održao predavanje “Challenges in Mechanics and Coupled Systems”.