Cette thèse a pour objectifs de développer une modélisation aussi fine que possible des structures aciers et mixtes acier-béton sous sollicitations cycliques avec prise en compte d'une part du comportement des assemblages et d'autre part des non-linéarités géométriques et du contact à l'interface acier-béton. Notre attention porte en particulier sur l'assemblage de type poutre acier/mixte sur poteau métallique par platine d'extrémité boulonnée. L'objectif étant de proposer un modèle «élément fini» d'assemblage qui reproduit aussi fidèlement que possible le comportement cyclique de ce dernier pour ensuite l'assembler à un élément fini de poutre non-linéaire acier ou mixte avec prise en compte, pour ce dernier, du soulèvement à l'interface. Le travail se compose de 3 parties distinctes. Un premier modèle qui se base sur la méthode des composantes a été développé ayant pour objectif de suivre la déformation de chaque composante au cours des cycles et de prendre en compte les non-linéarités induites par la séparation entre la platine d'extrémité et la semelle du poteau auquel elle est boulonnée. Ce modèle type composantes, a été développé pour une rangée de boulons. Dans le cas le plus fréquent, de deux rangées de boulons, une résistance de groupe (en plus des résistances individuelles de chacune des rangées) est susceptible de se développer. Pour rendre compte de ce phénomène, nous avons implanté le modèle proposé par Cerfontaine qui repose sur la définition d'une surface de charge et une règle d'écoulement associée pour déterminer les allongements des ressorts équivalents. Seul le cas de plasticité parfaite est considéré. Il est mis en évidence que l'influence de l'effet de groupe s'avère non négligeable sur le comportement post-élastique de l'assemblage et donc de la structure. Dans une seconde phase, nous proposons un modèle de poutre métallique classique en grands déplacements (approche co-rotationnelle) avec rotules généralisées aux extrémités. Nous faisons l'hypothèse que les déformations plastiques sont concentrées aux rotules dont le comportement plastique est contrôlé par une surface de charge asymétrique (anisotrope) qui peut prendre différentes formes selon la valeur donnée à un facteur q dit « facteur de forme». Chacune de ces rotules plastiques comprend un ressort longitudinal pour l'effort normal Net un ressort spiral pour le moment fléchissant M. L'interaction (M-N) entre ces deux efforts dans le domaine plastique est régie par le critère de plasticité. Le modèle de rotule plastique généralisé proposé permet de rendre compte de l'adoucissement cyclique, de la ductilité et du « pinching effect ».Nous montrons aux travers de plusieurs exemples la pertinence mais également les limites d'une telle approche. Dans une troisième partie, nous proposons un nouvel élément fini de poutre mixte (à 6 ddl par nœud) en petits déplacements avec prise en compte de la non-linéarité matérielle de la poutre ainsi que du contact entre l'acier et le béton. Une stratégie efficace de type nœud mobile (Flying Node) est proposée pour déterminer l'étendue de la surface de contact au sein d'un élément fini et d'adapter le maillage de l'élément poutre/poteau. Pour la résolution du problème de contact, la technique du Lagrangien Augmenté a été retenue. On montre que dans certaines situations, le soulèvement modifie la redistribution des efforts. / The goal of this thesis is to develop computational tools for the nonlinear analysis of steel and composite steel-concrete structures under cyclic loading taking into account the actual behaviour of joint, material and geometry non-linearities and contact conditions at the steel-to-concrete interface. In particular, our efforts focuses on typical bolted end-plate connection between steel or composite beam and steel column. The objective is to develop a new «joint finite element" able to reproduce accurately the cyclic behavior of the beam-to-column connection. Next this model is combined with a non-linear steel/composite beam element considering slip and possible uplift at the interface. The thesis consists of three major parts. The first part deals with the behavior of a steel beam-to-column bolted end-plate connection under arbitrarily cyclic loading. The proposed model is based on an improved component method that closely follows the deformation of each component taking into account non-linearities induced by possible gap between the column flange and the end-plate. This model has been developed for a single row connection. In the case of multiple row bolted connection group effects may develop. Possible group effect between two bolt-rows has been implemented considering the model proposed by Cerfontaine based on the definition of the multi-surface yield criterion and the associated flow rule that govern deformation of equivalent springs. Only the case of perfect plasticity is considered. It is shown that the influence of the group effect is not negligible on the nonlinear response of the joint. In the second part, we have developed a flexible co-rotational two-noded beam with generalized elasto-plastic hinges at the beam ends. It is assumed that plastic deformations concentrate at these hinges. These hinges have the ability to elongate/shorten along the beam axis and to rotate. A family of asymmetric and convex yield surfaces of super-elliptic shape is considered for the plastic behavior of the hinges. By varying the roundness factor, an infinite nun1ber of yield surface are obtained. It is shown that the nonlinear response of bolted connections subjected to both bending and tension are conveniently modeled with such a yield surface. It was observed that cyclic loading produces pinching effect, cyclic softening and ductile behavior. Advantages and limitations of the approach are discussed. Finally, the third part is dedicated to the problem of contact at the interface of steel-concrete composite beams. A "new" finite element for composite steelconcrete beam is proposed. The beam element has 6 degrees of freedom per node. The concrete beam is allowed to separate from the steel beam. An efficient contact algorithm is proposed. The Flying node concept is introduced and used to determine the extent of the contact area within a single element and modify the mesh of the beam structure. The contact problem is solve using the Augmented Lagrangian Method. The influence of contact on the loading capacity of the beam and its influence on some design variables are highlighted.

This master's thesis deals with design, strength calculation and technological solution of wing-fuselage joint for composite four-seater aeroplane certificated by CS-23. Design is focused on optimal space utilization, low weight and simple manufacturing and assembly. Main output is technical documentation consisting of drawings and technological lay-ups. Conceptual design was chosen after analysis and weight estimation. With strenght calculation for composite materials it was possible to design composition of primary parts and also specify manufacture processes. Assigment was solved by unusuall conceptual design, which claims higher precision manufacturing, but it saves weight.

Im Luftfahrtbereich haben sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten längst als Konstruktionswerkstoffe etabliert. In der Großserienfertigung von Automobilkarosserien kommt diese Materialgruppe jedoch nur zögerlich zum Einsatz. Offensichtlich sprechen noch viele Argumente für den Einsatz von metallischen Werkstoffen: Denn auch Leichtmetalle und pressgehärtete Stähle ermöglichen immer höhere Leichtbaugrade, ohne dabei signifikante Kostensteigerungen zu generieren. Zudem sind Fertigungs- und Montageabläufe für Metallkarosserien etabliert und weitgehend frei von Entwicklungsrisiken. Vor diesem Hintergrund erscheint es schwer, mit neuen Leichtbaumaterialien und den zugehörigen Bauweisen einen Durchbruch erzielen zu können. Dabei zeigt das Produktsegment der Supersportwagen schon deutlich, dass zusätzliche Leichtbaupotentiale durch beanspruchungsgerecht gestaltete und optimierte CFK-Strukturen für den Automobilbau eröffnet werden. Bislang lassen sich derartig optimierte CFK-Strukturen jedoch kaum wettbewerbsfähig in Großserie realisieren. An dieser Stelle ergeben sich Chancen und zugleich neue Herausforderungen für die Produktentwickler: Zum einen sind Faserverbundbauweisen zu erarbeiten, mit denen die Leichtbaupotentiale von CFK weitgehend ausgereizt werden. Zum anderen ist die automatisierte Fertigung bei hohen Taktraten zu ermöglichen. Die Lösung beider Teilaufgaben setzt den Einsatz geeigneter materialspezifischer Konstruktionsmethoden voraus.

The concept of semi-rigid composite connection has been widely researched in the past; however, most of the researches are limited to composite joints with metal deck ¿ooring and solid concrete slabs. Composite construction incorporating precast concrete hollowcore slabs (HCU) is a recently developed composite ¿oor system for buildings. The research on the structural behaviour of the semi-rigid composite joints with HCU is new and without any previous experimental database. In this paper, eight full-scale tests of beam-to-column semi-rigid composite joints with steel beams and precast hollowcore slabs are reported. The variables are stud spacing, degree of the shear connections, area of the longitudinal reinforcement and slab thickness. The test set-up and instrumentation is described in detail. The experimental behaviour is analysed and based on the test data the structural behaviour of these semi-rigid composite joints is discussed. Based on the experimental data, a simpli¿ed method to predict rotation and moment capacity for this type of composite connection is proposed.

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Civil and Environmental Engineering, 2012. / Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references (p. 115-117) / Highway bridges are exposed to numerous elemental and loading issues that are extremely difficult for a designer to anticipate and account for during design. The current state of practice is to design a bridge deck for a certain life span and then turn the bridge over to maintenance personnel who attempt to prolong the life of the deck through a variety of repair and rehabilitation measures. These repair measures are rarely, if ever, considered during the design process of the bridge deck. Numerous researchers have looked at making bridges, specifically decks, more repairable. The majority of these research efforts have focused on the bridge deck system as a whole. Other researchers have looked at individual elements of the bridge deck to girder connection to see if the required strength could be achieved while making the connections easier to take apart. One of the main components in the bridge deck to girder system is the steel shear stud connection, which is used to create composite action between the deck and the girder. Numerous researchers have studied this connection from a strength perspective, and the strength equations for the shear connection have been codified. Shear connections using headless studs have been researched as well, but always as a part of a larger deck to girder connection system. The headless stud has never been researched to see how it responds to a shear loading. This study looks at headless studs with varying levels of debonding along the stud shaft to analyze the impact on the load resistance that the levels of debonding would have. Granular materials for the shear transfer of load are also looked at. The results show that, as expected, the headless, debonded shear studs can carry less load than a bonded stud, but the difference in load carrying capacity is within the suggested over-estimation range of the codes that other researchers have suggested. These results suggest that the use of headless, debonded shear studs in a deck to girder connection is a feasible way to make that connection more repairable. / Funded by the U.S. Dept. of the Army. / by Berndt F. Spittka / S.M.

The shear capacity of headed studs in precast concrete hollow-core slab construction has been determined experimentally in 12 full-scale push-off tests. The tests were used to study the effects of the size of the gap between the ends of the precast slabs, and the amount of tie steel placed transversely across the joint, and the strength of concrete infill. Under certain situations the capacity of the stud is reduced compared with that in a solid reinforced concrete slab. Maximum resistances are compared with the predictions of BS 5950 and EC4, and a reduction formula for the precast effect is derived.

This thesis investigates the performance of composite frame structures with smart partially-restrained (PR) concrete filled tube (CFT) column connections through simplified 2D and advanced 3D computational simulations. It also provides a design methodology for new types of innovative connections based on achieving a beam hinging mechanism. These types of connections intend to utilize the recentering properties of super-elastic SMA tension bars, the energy dissipation capacity of low-carbon steel bars, and the robustness of CFT columns. In the first part of this study, three different PR-CFT connection prototypes were designed based on a hierarchy of strength models for each connection component. Numerical simulations with refined three dimensional (3D) solid elements were conducted on full scale PR-CFT connection models in order to verify the strength models and evaluate the system performance under static loading. Based on system information obtained from these analyses, simplified connection models were formulated by replacing the individual connection components with spring elements and condensing their contributions. Connection behavior under cyclic loads was extrapolated and then compared with the monotonic behavior. In the second part of this study, the application of these connections to low-rise composite frames was illustrated by designing both 2D and 3D, 4 and 6 story buildings for the Los Angeles region. A total of 36 frames were studied. Pushover curves plotted as the normalized shear force versus inter story drift ratio (ISDR) showed significant transition points: elastic range or proportional limit, full yielding of the cross-section, strength hardening, ultimate strength, and strength degradation or stability limit. Based on the transition points in the monotonic pushover curves, three performance levels were defined: Design Point, Yield Point, and Ultimate Point. All frames were stable up to the yield point level. For all fames, after reaching the ultimate point, plastic rotation increased significantly and concentrated on the lower levels. These observations were quantified through the use of elastic strength ratios and inelastic curvature ductility ratios. The composite frames showed superior performance over traditional welded ones in terms of ductility and stability, and validated the premises of this research.

Steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Triebwerken lassen sich durch den Einsatz von Metall-Faserverbund-Bauweisen erfüllen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit ihren herausragenden und einstellbaren mechanischen Eigenschaften bieten das Potential, die Masse strukturell hochbelasteter Komponenten zu reduzieren. Durch die richtungsabhängigen Eigenschaften kann der FKV zielgerichtet für die Anwendung angepasst werden. Die Vielzahl der einstellbaren Parameter in Kombination mit der Entwicklung von komplexen Triebwerkstrukturen führt zu einem interaktiven und interagierenden Entwicklungsprozess. Im Rahmen dieses Beitrages wird ein Ansatz zur kombiniert virtuell-reellen Entwicklung eines Triebwerk-Subsystems am Beispiel des Zwischengehäuses vorgestellt. Ein systematischer Prozess in Kombination mit virtuellen Methoden ermöglicht die effiziente Erarbeitung und modellhafte Abbildung des Gesamtsystems, bestehend aus relevanten Triebwerkselementen (System), dem darin integrierten Zwischengehäuse (Subsystem) und lastübertragenden Faserverbund-Leitschaufeln (Komponente). Durch Detaillierung im Entwicklungsprozess steigt kontinuierlich die Aussagegenauigkeit, wobei gleichzeitig auch der Aufwand erheblich zunimmt. Ein experimenteller Funktions- und Festigkeitsnachweis der Leitschaufel kann zur Reduktion des Entwicklungsrisikos beitragen. Die dafür benötigten Funktionsmuster lassen sich in einem kombinierten Verfahren, bestehend aus Additiver Fertigung und Resin Transfer Moulding, herstellen, wobei der 3D-Druck die Anpassung der realen Funktionsmuster an die Geometrie- und Werkstoffmodifikationen im Rahmen der virtuellen Entwicklung ermöglicht.

This diploma thesis solves with the design and static assessment of a multipurpose center in Hodonín. The structure is divided into three statically separated parts. The two structural units, consisting of steel frames with composite reinforced concrete slabs, are symmetrical and the middle part, formed by wooden frames made of glued laminated timber. The construction was solved using a computational 3D model. The model was created in the program RFEM 5.21.01. Using the model, the internal forces and dimensions of the usual elements were calculated. The construction was assessed in the program RFEM 5.21.01 and in MS Excel 2010. The outermost buildings have 7 floors and are designed for residential and office space. The maximum height of the structure is 27.60 m, including the attic. The central multifunctional hall is roofed by a walkable green roof. The maximum height of the middle part is 12.50 m. The largest floor plan dimensions of the building are 49,050 m x 24,000 m.

The aim of this thesis is to assess the time-dependent behavior of a new kind of composite railway bridge deck composed by two precambered and prestressed beams. The method used until now to design these bridge decks is a simple classical computation method with a variable modular ratio. They have been placed only with simply supported spans up to 26 m.<p>It is now considered to apply this construction method for the building of continuous bridges (with larger spans) by connecting simply supported decks on their supports. It is known that this kind of construction will induce an additional and strong time-dependent redistribution of internal forces within the structure. It was felt that an in-depth understanding of the influence of the concrete time-dependent effects in this kind of composite structures is needed before proceeding with the design of statically indeterminate bridges. Two cross-section analysis programs applying the principle of superposition were developed: the first used the age adjusted effective modulus method and the second the step-by-step method. However, it is known that the delayed behavior of concrete does not fully comply with the principle of superposition. It appears that after a period of compression creep, creep recovery is significantly less than predicted by the superposition principle. In the construction phases of this bridge deck, the concrete fibers belonging to the bottom side of prestressed beams undergo a stress/strain history of significant unloading when the permanent loads are applied step-by-step. Moreover, these methods assume that the relative humidity remains constant. Finally, a lot of bridge decks are heated in order to transfer the prestressing as soon as possible. To evaluate more finely the time-dependent effects of concrete in such composite (and rather complex) structures with variable loading history, several steps have been carried out: <p>-Analysis of the influence of the heat treatment applied in the workshop and the level of applied stress on the creep and the shrinkage of the concrete.<p>-Analysis of the recovery phenomenon of the concrete resulting in the selection of the two-function method with the recovery function proposed by Yue and Taerwe.<p>-Development of a cross-section analysis program applying the two-function method to take into account more finely the recovery phenomenon, what resulted in a optimization of the phases of construction of the bridge decks by decreasing the minimum age of concrete before prestressing from 40 hours to 20 hours. <p>-Development of a structural analysis program with beam finite elements and applying the two-function method,what has resulted in an optimization of the phases of construction of continuous bridges composed by the junction of two bridge decks. <p>-Proposition of a modelling based on the understanding of the physico-chemical phenomenona which are at the origin of the delayed effects and coupled to a local analysis of the evolution of the degree of hydration and the internal relative humidity in order to take into account the changes of the boundaries conditions in terms of heat and moisture exchanges occurring along the construction history of the bridge decks in the evaluation of their long-term behavior. For each component of the delayed strains (the thermal strain, the autogenous shrinkage, the desiccation shrinkage, the desiccation creep, the basic creep), a modelling has been proposed.<p>-Development of a cross-section analysis program based on the numerically stable algorithm with increasing time steps for integral-type aging creep proposed by Bažant and including the different components of the delayed effects according to the proposed modelling.<p>The results seem to be very promising since it was possible to reproduce in a more realistic way the evolutions of the measured strains of the composite railway bridge deck instrumented in June 2000 and situated near Brussels South Station. <p><p><p>L’objectif de cette thèse est de prédire le comportement à long terme de structure mixte type pont-bac composée de poutres préfléchies, précontraintes et construites par phases. A l’heure actuelle, ils sont dimensionnés à l’état limite de service par une méthode traditionnelle pseudo-élastique avec un coefficient d’équivalence acier-béton variable. Il est envisagé d’étendre ce type de construction à la réalisation de viaducs hyperstatiques permettant de franchir de plus grandes portées en établissant une continuité entre deux travées au droit de leur support commun. Il est connu que ce type de construction induit une importante redistribution des efforts internes dans la structure. Il est donc indispensable d’évaluer très finement l’influence des effets différés du béton sur ce type de construction. Deux programmes généraux d’analyse de section basés sur la méthode du module effectif ajusté et la méthode pas-à-pas ont tout d’abord été développés. Ces méthodes appliquent le principe de superposition. Des limitations propres à ces méthodes ont été relevées pour des historiques où le béton subit plusieurs déchargements significatifs par rapport à son état de contrainte initial juste après le transfert de la précontrainte. Ces méthodes ont aussi l’inconvénient de supposer une humidité relative constante. Enfin,pour pouvoir être mis en précontrainte le plus tôt possible, les ponts-bacs sont chauffés. Les caractéristiques de retrait et de fluage s’écartent de celles déterminées en laboratoire sur des éprouvettes conservées à 20°C. Pour lever les limitations des méthodes classiques et évaluer plus finement l’état de contrainte et de déformation à long terme dans ce type de structure, plusieurs étapes ont été effectuées :<p>-Analyse de l’influence d’un traitement thermique appliqué dans les mêmes conditions que celles effectuées chez le préfabricant ainsi que du niveau de contrainte appliqué sur les déformations différées du béton. <p>-Analyse de l’influence de l’application de déchargements à des âges divers sur les éprouvettes de béton permettant de mettre en évidence le fait que la méthode dite aux deux fonctions avec la fonction de recouvrance proposée par Yue et Taerwe reproduit la plupart des résultats expérimentaux de manière très satisfaisante.<p>-Développement d’un programme d’analyse en section suivant la méthode pas-à-pas étendu à la méthode aux deux fonctions afin de mieux tenir compte de la recouvrance, ce qui a permis d’optimiser les phases de préfabrication des ponts-bacs en changeant l’instant de mise en précontrainte. Les simulations ont montré que si le béton du pont-bac est chauffé, la mise en précontrainte peut s’effectuer à 20 heures d’âge du béton. <p>-Développement d’un programme d’analyse de structure au moyen d’éléments finis de type poutre et dont l’algorithme de résolution applique la méthode aux deux fonctions, ce qui a permis d’optimiser les phases de construction de viaducs hyperstatiques constitués par la jonction de deux ponts-bacs. <p>-Proposition d’une modélisation fondée sur la compréhension des phénomènes physico-chimiques à l’origine des effets différés et couplée à une étude locale de l’évolution du degré d’hydratation et de la teneur en eau permettant de tenir compte des changements de conditions aux limites en terme d’échange de chaleur et d’humidité qui ont lieu au cours de l’histoire des ponts-bacs dans l’évaluation de leur comportement à long terme. Pour chaque composante des déformations différées (le retrait thermique, le retrait endogène, le retrait et le fluage de dessiccation, le fluage fondamental), une modélisation a été proposée.<p>-Développement d’un programme d’analyse de section basé sur une approche incrémentale avec l’algorithme récursif et exponentiel proposé par Bažant et dans lequel les composantes des effets différés ont été intégrées suivant la modélisation proposée. <p>Les résultats sont encourageants car ils ont permis de reproduire de manière beaucoup plus réaliste les évolutions des déformations mesurées dans le pont-bac instrumenté à Bruxelles. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished