Appunti sulle modellazioni discrete per ponti e viadotti.
Corso di GESTIONE DI PONTI E GRANDI STRUTTURE, prof. ing. Franco Bontempi, Sapienza Universita' di Roma
Descrizione della struttura architettonica Eretteo.pptx
PGS - lezione 04 - MODELLAZIONI DISCRETE.pdf
1. Lezione #4:
modellazioni discrete
PONTI E GRANDI STRUTTURE - A.A. 2022/23
Prof. Ing. Franco Bontempi
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
Università degli Studi di Roma La Sapienza
franco.bontempi@uniroma1.it
2. Index
•Part 0 – BASIS
•Part I – Trusswork & Gridwork
•Part II – Strut & Tie Models
•Part III – Stringer Panel Method
•Part IV - Applications
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
2
6. 3/22/2023
Structure Essential
• Micro-level:
local size of the sections, i.e. thickness, area, inertia, …
(Detailed Geometry)
• Meso-level:
form of the structural element or structural part (substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature, profile, …
(Global Geometry)
• Macro-level:
connections of the different structural parts
(Load Path)
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
6
7. Micro-level:
local size of the sections,
i.e. thickness, area,
inertia, … (Detailed
Geometry)
Meso-level:
form of the structural
element or structural part
(substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature,
profile, … (Global Geometry)
Macro-level:
connections of the
different structural
parts (Load Path)
3/22/2023
Optimization Levels
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
7
19. Principio di De Saint Venant (DSV)
• I sistemi A e B di carichi applicati sul corpo sono
staticamente equivalenti, ovvero hanno le stesse
risultanti globali.
A B
19
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Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
20. Principio di Saint Venant: trave a sezione compatta
A
B
C
b
F
F
C = F• b
F
F
2 • F
x
x
x
20
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
21. 3/22/2023 21
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
22. B-/D- Regions (1)
A
B
C
D E
F
G
H
1
2
3
4 5
6
7
8
22
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
23. B-/D- Regions (2)
A
B
C
D E
F
G
H
23
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
24. Suddivisione della struttura in B- e D-Regions (1)
• L'analisi di un sistema strutturale complesso difficilmente può
essere condotto in un'unica fase.
• All'interno della struttura sono infatti presenti, generalmente, due
classi di regioni, che presentano comportamenti meccanici
qualitativamente differenti.
• Si possono infatti individuare le cosiddette:
24
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
25. Suddivisione della struttura in B- e D-Regions (2)
• B-Regions: regioni dove lo stato di sforzo è conseguente ad un
regime deformativo semplice (con andamenti lineari); la lettera B
deriva da Bernoulli, che individuò insieme a Navier l'ipotesi sul
comportamento delle sezioni delle travi che ruotano, restando
piane;
• D-Regions: regioni dove l'assenza di una cinematica semplice,
comporta stati di sforzo comunque complessi; si hanno quindi
regioni genericamente sedi di stati di sforzo diffusivi, da cui deriva
la lettera D.
25
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
26. Suddivisione della struttura in B- e D-Regions (3)
• Le D-regions sono tutte quelle zone di singolarità per la struttura,
ove si verificano discontinuità geometriche o di materiale, o dove
sono applicate forze concentrate, sia carichi che reazioni vincolari.
26
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
27. 3/22/2023 27
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
70. Modalità di convergenza
Convergenza monotona dall’alto
Convergenza monotona dal basso
Convergenza non monotona
e.f. completi
e.f. completi e conformi
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
70
71. Impostazione basata sull’analisi limite
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
71
p
72. Presupposti
1) Il materiale ha comportamento perfettamente e indefinitamente plastico:
si è in presenza di duttilità infinita;
2) Non esistono effetti geometrici ovvero problemi di instabilità: non ci sono
ripercussione degli spostamenti (e delle deformazioni) sull’equilibrio.
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
72
73. Teorema del limite inferiore(teorema statico)
• Se
i. esiste un sistema di carichi esterni in equilibrio con una distribuzione di
sforzi interni che non ecceda in alcun punto la resistenza del materiale,
segue che
1) il collasso non si verifica
2) il sistema di carichi esterni è minore o uguale al vero carico di collasso.
• Lo stato di sforzo interno non deve essere necessariamente quello che
effettivamente si verifica al collasso, ma solo essere equilibrato e compatibile
con la resistenza del materiale non appaiono le condizioni di congruenza.
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
73
74. Teorema del limite superiore (teorema cinematico)
• Se esistono:
i. un sistema di carichi esterni e
ii. un meccanismo di collasso plastico tale che il lavoro dei carichi esterni
per un incremento di spostamento sia uguale al lavoro delle forze
interne,
segue che:
1) si verifica il collasso;
2) il sistema di carichi esterni è maggiore o uguale al vero carico di
collasso.
• Il meccanismo di collasso deve essere congruente, ma non necessariamente
quello reale; non appaiono le condizioni di equilibrio.
3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
74
175. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
175
Modeling of continuous deep beam showing the possible locations of
openingswithout disturbing the flow of forces
176. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
176
Behavior of corner joint due opening moment
240. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
240
STRUCTURAL SCHEME
Versione iniziale
Versione finale
beam SX beam DX
column
3/22/2023
242. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
242
3/22/2023
243. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
243
3/22/2023
244. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
244
3/22/2023
245. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
245
STRUCTURAL PARTS
3/22/2023
246. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
246
FIRST ANALYSIS (A):
two dimensional geometry
column
a
Vsd
Vsd
a/2
Vsd*=Vsd/2
Vsd* =Vsd/2
column
a
Vsd
Vsd
column
a
Vsd
Vsd
a/2
Vsd*=Vsd/2
Vsd* =Vsd/2
3/22/2023
247. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
247
• the steel parts, the longitudinal bars and the stirrups are represented by
bars working both in tension and in compression, while concrete parts
are lumped into bars with no tension behavior;
• one model a segment of concrete column sufficient to extinguish the
diffusive effects connected with this D-region, i.e. until a B-region is
reached, governed by the so-called Bernoulli stress regime;
Mechanical modeling by S&T
3/22/2023
248. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
248
S & T Model Definition
3/22/2023
249. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
249
Strut & Tie Models
Reinforcement
Bars
Vsd
Reinforcement
Bars
Vsd
3/22/2023
250. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
250
Reinforcement
Bars
Vsd
Reinforcement
Bars
Vsd
Strut & Tie Results
stirrups longitudinal bars
concrete
steel bracket
3/22/2023
252. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
252
Global response
End of external bracket displacement
-8,00
-7,00
-6,00
-5,00
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
0 500 1000 1500 2000
Load [KN]
Uy
[mm]
Vsd=600 KN - th=8mm
Vsd=850 KN - th=10mm
Vsd=1050 KN - th=12mm
Vsd=1500 KN - th=18mm
Y
X
End of external bracket displacement
-8,00
-7,00
-6,00
-5,00
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
0 500 1000 1500 2000
Load [KN]
Uy
[mm]
Vsd=600 KN - th=8mm
Vsd=850 KN - th=10mm
Vsd=1050 KN - th=12mm
Vsd=1500 KN - th=18mm
Y
X
Y
X
Y
X
3/22/2023
253. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
253
Local response
>290
<-290
>290
<-290
>290
<-290
3/22/2023
254. Micro-level:
local size of the sections,
i.e. thickness, area,
inertia, … (Detailed
Geometry)
Meso-level:
form of the structural
element or structural part
(substructure), i.e. main
longitudinal axis, curvature,
profile, … (Global Geometry)
Macro-level:
connections of the
different structural
parts (Load Path)
3/22/2023
Optimization Levels
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23
lezione #4: modellazioni discrete
254
255. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
255
EVOLUTION OF THE FORM (1)
600.0
250.0
15.0
60.2
70.0
145.0
56°
66°
50°
378.5
188.0
320.1
3/22/2023
256. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
256
EVOLUTION OF THE FORM (2)
600.0
369.4
55°
66°
50°
224.4
15.0
60.0
70.0
145.0
280.0
399.4
126.0
100.8
195.0
230.7
188.0
69.7
3/22/2023
257. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
257
EVOLUTION OF THE FORM (3)
Versione finale
3/22/2023
258. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
258
CONSTRUCTABILITY (1)
3/22/2023
259. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
259
CONSTRUCTABILITY (2)
3/22/2023
260. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
260
CONSTRUCTABILITY (3)
3/22/2023
261. Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
261
CONSTRUCTABILITY (3)
3/22/2023
263. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
263
STRUCTURAL MODELING (model #1)
Strut & Tie modeling of the stayed bracket
STEP #1 STEP #2
STEP #3 STEP #4
264. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
264
STRUCTURAL MODELING (model #2)
Alternative S&T modeling of the stayed bracket
STEP #1
STEP #3 STEP #4
STEP #2
265. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
265
STRUCTURAL MODELING (model #3)
Alternative S&T modeling of the stayed bracket
STEP #1
STEP #3 STEP #4
STEP #2
266. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
266
STRUCTURAL MODELING
OF CONCRETE PART (I):
trusswork discretization
ab
l
sl
A
A
a
b
sa
A
A
b
a
sb
A
A
b
a
b
a
b
a
d
d
y
y
x
x
2
2
2
2
2
8
3
2
3
8
3
2
3
8
3
2
,
,
,
=
=
=
=
−
=
−
=
267. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
267
4
3
2
1
,
,
, u
u
u
u
VI
V
IV
III
II
I
N
N
N
N
N
N ,
,
,
,
,
a
x
y
u
x
=
b
y
y
v
y
=
a
b
x
v
y
u y
x
+
+
=
b
l
a
N
N
N
N
N
VI
V
II
I
x
+
+
+
=
a
l
b
N
N
N
N
N
VI
V
IV
III
y
+
+
+
=
l
N
N
N VI
V
xy
−
=
xy
y
x N
N
N ,
,
STRUCTURAL MODELING
OF CONCRETE PART (II):
stress representation
268. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
268
LOADING SYSTEMS: SYM.
Reinforcment
Bars
Vsd
C + Steel
C
Steel
Vsd
Vsd
269. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
269
LOADING SYSTEMS: ASYM.
Reinforcment
Bars
C + Steel
C
Steel
Vsd Vsd
304. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
304
ELASTIC- PLASTIC MATERIAL LAW
WITH VON MISES CRITERION
62519
.
4
]
N/mm
[
10000
max
2
max
=
=
00138
.
0
]
N/mm
[
290 2
=
=
y
y
]
[N/mm
210000 2
0 =
E
*
100
/
1 0
1 E
E =
x10^(-3)
E0
E1
y
y
max
305. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
305
>290
<-290
Vsd = 1050 kN – cap element stress:
e-plastic analysis (stress X)
306. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
306
>290
<-290
Vsd = 1050 kN – cap element stress:
e-plastic analysis (stress Y)
307. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
307
>290
<-290
Vsd = 1050 kN – cap element stress:
e-plastic analysis (Von Mises) (I)
308. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
308
>580
<-580
Vsd = 1050 kN – cap element stress:
e-plastic analysis (Von Mises) (II)
309. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
309
Vsd = 1050 kN – cap element strain:
e-plastic analysis (Von Mises strain)
310. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
310
Vsd = 1050 kN – reinforcement bar stress
• max tension = 132 MPa
• min compression = -54,9 MPa
stirrups longitudinal
311. 3/22/2023
Ponti e Grandi Strutture - A.A. 2022/23 lezione
#4: modellazioni discrete
311
Vsd = 1050 kN – ties and concrete stress
concrete
• max tension = 0 MPa
• min compression = -19,8 MPa
• tension = 582,7 MPa
329. Lezione #4:
modellazioni discrete
PONTI E GRANDI STRUTTURE - A.A. 2022/23
Prof. Ing. Franco Bontempi
Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale
Università degli Studi di Roma La Sapienza
franco.bontempi@uniroma1.it