No description available.

Ces travaux de thèse contribuent de manière générale au développement d’outils de modélisationanalytiques et numériques robustes et efficaces destinés à l’analyse des phénomènes de flambementet de post-flambement de poutres sandwich élastoplastiques sous divers cas de chargement. Lesdéveloppements analytiques effectués ont abouti à différentes formules explicites et précises pourles modes de flambement (globaux/locaux) observés en pratique et les chargements critiquesassociés. En s’inspirant des prédictions analytiques précédentes, un modèle élément fini 1D enrichide "poutre sandwich" a été mis en œuvre avec un choix déterminant pour la cinématique de l’âme.Le programme numérique qui en découle est pourvu de techniques robustes de longueur d’arc,assurant le suivi incrémental des courbes d’équilibre en présence de fortes non-linéarités à la foisgéométriques et matérielles, et de branchement, pour une gestion automatique de la bifurcationsans l’introduction de défauts. Un tel outil de calcul permet l’analyse du flambement et du post-flambement (jusqu’à des stades post-critiques avancés) de poutres sandwich élastiques ou plastiqueset met en évidence, de manière efficace, les phénomènes d’interaction modale, associés à l’obtentionde modes secondaires, spécifiques aux sandwichs. / This Ph.D. thesis generally aims to establish accurate and efficient analytical and numerical toolsdevoted to the analysis of buckling and post-buckling phenomena likely to appear in sandwichstructures under various loading cases. The achieved analytical developments give rise to numerousaccurate closed-form expressions for the (global/local) buckling modes observed in practice and theassociated critical loadings. A 1D "sandwich beam" enriched finite element model is then developedbased on the previous analytical solutions with a particular focus on the core kinematics. Theresulting numerical program includes robust arc-length/path-following as well as branch-switchingtechniques, which allow one to deal efficiently with the possible strong geometric and materialnon-linearities encountered during the incremental calculations and handle the possible bifurcationpoints in a systematic way without introducing any imperfection. Such a numerical tool enablesthe buckling and post-buckling analysis (until advanced post-critical states) of elastic or plasticsandwich beam-columns and highlights, in an efficient way, the modal interaction phenomenaspecific to sandwich materials and associated to secondary modes.

The principal aim of this work was to investigate and develop modelling techniques capable of accurately and robustly analysing expansion anchor bolts in concrete under tensile loading. Of special interest was the influence of low edge distances on such devices. Since the 20th century increased demands for flexibility, safety and cost have lead to significant development of new anchor products. Modern design methods for new products follow a scientific approach but still rely on substantial and expensive programs of experimental testing. Current design methods for structural designers using anchors are based on semi-empirical approaches derived from extensive experimental testing. It is proposed that much of this experimental work can be replaced with numerical modelling. A number of suitable finite element constitutive models are considered. Initially a Multisurface Plasticity Model and a Traditional Crack Model using a Multiple Fixed Crack (MFC) formulation are considered. Both are shown to give satisfactory results when used to analyse a common, plane-stress benchmark problem. However, although the Plasticity Model gave a better post peak response a 3D implementation was not available within the chosen FE framework. Spurious stress accumulation was identified as the cause of the problems with the MFC Model and its various causes are investigated in detail. A Total Strain Based Rotating Crack Model was chosen as an alternative constitutive model and together with suitable modelling parameters was able to reduce these spurious stress accumulation effects to an acceptable level. 3D modelling of a non-expanding, fully bonded anchor at various distances to the free edge accurately predicted the expected reduction in strength and compared well with reduction factors supplied by anchor manufacturers. The study was extended to include the effect of two free edges and results allowed the strength reduction to be calculated for any arbitrary position rather than for just the single edge approach given in the anchor design guides. Modelling of anchor expansion was tackled on two fronts. Firstly anchor-concrete interfacial behaviour was considered. A Coulomb Friction Model applied to zero thickness structural interface elements to simulate the pressure dependant frictional bond. The role of FE model geometry and material properties in producing a realistic interfacial stress profile was studied in detail. For the kinematics of the expansion modelling of the expander mechanism as a contact problem was found to be the most accurate approach. However, limitations of the modelling framework required that the contact analysis be performed separately and resulting contact stress profile be applied to the existing, noncontact problem. This approach, although somewhat inflexible, provided a useful insight into the important factors pertaining to both the geometric and constitutive models. Results showed realistic crack patterns and demonstrated the effect of varying expansion pressures on the structural response of the anchor bolt. The modelling approach used in this study was highly complex in terms of the multiple non-linear material models and the associated solution process. This resulted in problems with robustness and stability. As an alternative and inherently stable modelling framework a Sequentially Linear (SL) Model was developed. In its isotropic form it proved fast, accurate and reliable for plane-stress anchor problems. Orthotropic fracturing and 3D analysis capabilities were introduced to the model and a number of rules for crack initiation and orientation were tested. Although limitations in the possible crack orientations produced significant mesh bias to the crack pattern, the model was able to capture the changes in anchor behaviour associated with reduced edge distance. The overall assessment is that that SL Model has great potential especially for highly nonlinear problems where stability and robustness are issues.

Το θέμα της παρούσας εργασίας αφορά την αποτίμηση της απόκρισης των τοιχοπληρωμένων πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος, έναν τομέα που έχει απασχολήσει πληθώρα ερευνητών τις τελευταίες δεκαετίες. Παρότι έχουν προταθεί πολλές διαφορετικές λύσεις για την προσομοίωση των τοιχοπληρώσεων, δεν έχει ακόμη προκύψει ένα ενιαίο και αξιόπιστο προσομοίωμα ικανό να αναπαραστήσει με ακρίβεια τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της απόκρισης που εμφανίζονται κατά περίπτωση. Στην παρούσα εργασία προτείνεται ένα νέο απλοποιητικό προσομοίωμα για την ανάλυση των τοιχοπληρώσεων μετά την τροποποίηση του υπάρχοντος προσομοιώματος των Crisafulli and Carr (2007) και διερευνάται η εφαρμογή και η κατάλληλη βαθμονόμηση του για την ανελαστική ανάλυση τοιχοπληρωμένων πλαισίων οπλισμένου σκυροδέματος υπό την δράση πλευρικών ανακυκλιζόμενων φορτίων. Στο προτεινόμενο προσομοίωμα συνδυάζονται μία σειρά από μέλη/ελατήρια προκειμένου να ληφθούν υπόψη ανεξάρτητα η συμπεριφορά της τοιχοπλήρωσης σε διαγώνια θλίψη και διάτμηση. Η αξιοπιστία του προσομοιώματος επαληθεύεται με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα σε τοιχοπληρωμένα πλαίσια, επιδεικνύοντας ικανοποιητικό βαθμό συμφωνίας. Η πολυπλοκότητα των προσομοιωμάτων των τοιχοπληρώσεων έγκειται στην πληθώρα των παραμέτρων που απαιτούνται για τον ορισμό τους. Για το λόγο αυτό η αριθμητική εφαρμογή του προσομοιώματος συνοδεύεται από μία εκτεταμένη παραμετρική μελέτη που στοχεύει στην διερεύνηση της ευαισθησίας του προσομοιώματος σε κάθε μία από τις παραμέτρους που υπεισέρχονται στον ορισμό του επιτρέποντας εν τέλει την ταυτοποίηση των κρίσιμων ποσοτήτων και την καθοδήγηση του μέλλοντα χρήστη σχετικά με την επιλογή τους. / The assessment of the response of masonry infilled RC frame structures has been a major challenge over the last decades. While several modeling approaches have been proposed, none can cover all aspects observed in the tests. The present paper introduces a simplified model built on the approach established by Crisafulli and Carr (2007) and addresses its calibration and implementation in a nonlinear analysis software for the evaluation of the in-plane lateral response of infilled RC frames. The proposed model uses a set of elements/springs to account separately for the compressive and shear behavior of masonry. The efficiency of the modeling approach is validated with available experimental data, yielding satisfactory matching. The most intricate issue encountered when attempting to represent a masonry panel is the plethora of the material parameters involved and the lack of complete and available test results. Thus, the numerical investigation is accompanied by a parametric study on the sensitivity of the model to the various parameters to identify the critical modeling quantities and provide guidance on their selection.

Πειραματική διεκπεραίωση 24 υποστυλωμάτων ορθογωνικής διατομής με μεγάλο λόγο πλευρών 3:1 και 4:1, κατασκευασμένα υπό κλίμακα, ενισχυμένα με ινοπλισμένα πολυμερή άνθρακα και εφαρμογή σχετικών προσομοιωμάτων υπάρχουσας βιβλιογραφίας. / Experimental procedure of 24 large-scale column specimens 3:1 and 4:1 reinforced with carbon fiber polymers CFRP and comparison of the test results with those calculated from the existing models of large-scale columns.

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης είναι η κατά βάση πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών, ενισχυμένων με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών και σύνθετων υλικών ανόργανης μήτρας. Το πειραματικό πρόγραμμα διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πρόγραμμα αυτό, περιελάμβανε δύο σειρές δοκιμίων. Η πρώτη περιελάμβανε έξι δοκίμια και η δεύτερη δέκα. Η κατηγοριοποίηση σε σειρές έγινε με βάση το λόγο πλευρών των δοκιμίων. Έτσι, την πρώτη σειρά αποτέλεσαν δοκίμια με λόγο πλευρών (3:1), ενώ τη δεύτερη δοκίμια με λόγο πλευρών (4:1). Ένα δοκίμιο από κάθε σειρά δοκιμάσθηκε χωρίς ενίσχυση και αποτέλεσε μέτρο σύγκρισης για όλα τα υπόλοιπα. Τρία δοκίμια από κάθε σειρά ενισχύθηκαν με τρείς στρώσεις FRP και με θυσάνους. Ακόμα, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με δύο στρώσεις FRP, χωρίς χρήση θυσάνου. Επίσης, δύο υποστυλώματα από τη δεύτερη σειρά ενισχύθηκαν με δύο στρώσεις FRP, θυσάνους και δύο επιπρόσθετες στρώσεις FRP τύπου U, στις δύο μικρές πλευρές. Τέλος, ένα δοκίμιο από κάθε σειρά ενισχύθηκε με τέσσερις στρώσεις TRΜ, ενώ άλλο ένα με τέσσερις στρώσεις TRΜ και με θυσάνους. / The subject of this thesis is the experimental investigation of the effectiveness of confining rectangular columns with large aspect ratio, reinforced with fiber reinforced polymers and with tensile reinforced mortars. The experimental program was conducted at the Laboratory of Engineering and Technology of Materials in Civil Engineering, University of Patras. This program is consisted of two sets of samples. The first included six small scale columns and the second ten. The categorization in series was based on the aspect ratio of the specimens. So specimens with aspect ratio (3: 1) were included in the first series, while the second included specimens with aspect ratio (4: 1). One specimen from each series was tested without any reinforcement and became the comparison for all the rest. Three specimens from each series were reinforced with three layers of FRP and anchors. Still, a sample from each series was reinforced with two layers of FRP, without use of anchors. Also, two columns of the second series of amplified with two layers FRP, anchors and two additional layers of FRP type U, in the two smaller sides. Finally, a sample from each series was reinforced with four layers TRM, while another one to four layers TRM and anchors.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή, γίνεται διερεύνηση της αποτελεσματικότητας περίσφιγξης ορθογωνικών υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών, με εφαρμογή διπλής στρώσης σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα. Χρησιμοποιούνται και αξιολογούνται διαφορετικοί τρόποι εφαρμογής των σύνθετων υλικών (σε δοκίμια με λόγους πλευρών 3:1 και 4:1), όπως η επιπλέον τοποθέτηση αγκυρίων από ίνες άνθρακα τύπου θυσάνου, με διαφορετικές διαμέτρους και η εφαρμογή ενισχυτικού κονιάματος για μείωση του λόγου των πλευρών των δοκιμίων. Η παραπάνω αξιολόγηση γίνεται, τόσο σε πειραματικό, όσο και σε αναλυτικό επίπεδο. Η διεξαγωγή των εργασιών και της πειραματικής διαδικασίας, έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών, του Πανεπιστημίου Πατρών. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή αποτελείται από έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται εισαγωγή στα σύνθετα υλικά σχετικά με την εφαρμογή τους στο πεδίο των ενισχύσεων και τις ιδιότητες τους, καθώς και αναφορά των παγκόσμιων βιβλιογραφικών πηγών σχετικά με την περίσφιγξη υποστυλωμάτων με μεγάλο λόγο πλευρών με ινοπλισμένα πολυμερή. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει μερικά από τα πιο δημοφιλή αναλυτικά προσομοιώματα για περίσφιγξη οπλισμένου σκυροδέματος με σύνθετα υλικά και περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός από αυτά, για προεκτίμηση του θλιπτικού φορτίου και της παραμόρφωσης αστοχίας, που αναμένεται να προκύψουν στα δοκίμια της παρούσας διατριβής. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των υπό εξέταση δοκιμίων, οι εργασίες προετοιμασίας και ενίσχυσης τους, η πειραματική διαδικασία καθώς και η πειραματική διάταξη. Το τέταρτο κεφάλαιο, απαρτίζεται από την αναλυτική παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων για όλες τις κατηγορίες δοκιμίων. Σχολιάζεται λεπτομερώς η συμπεριφορά του κάθε δοκιμίου ξεχωριστά και παρατίθενται τα αντίστοιχα διαγράμματα τάσεων-παραμορφώσεων και πίνακες τιμών θλιπτικών αντοχών, θλιπτικών φορτίων και παραμορφώσεων αστοχίας. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι συγκρίσεις των αποτελεσμάτων που προέκυψαν για όλα τα δοκίμια, τόσο από το αναλυτικό προσομοίωμα που χρησιμοποιήθηκε, όσο και από την πειραματική διαδικασία. Με αυτό τον τρόπο, γίνεται αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των διαφορετικών τρόπων εφαρμογής των ινοπλισμένων πολυμερών στα υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών και της αξιοπιστίας εφαρμογής του αναλυτικού προσομοιώματος. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο, περιλαμβάνει τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της μεταπτυχιακής διατριβής, αλλά και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. / --

Malgré le cumul de connaissances sur le sujet du flambage des coques minces, des questions essentielles demeurent. En effet, malgré les avancées et une meilleure compréhension de l’effet des défauts, le dimensionnement continue de recourir aux anciennes règles qui découlent d’une démarche empirique et qui s’avèrent souvent trop conservatives comme c’est le cas par exemple pour la NASA SP8007 (1968). Cette règle est utilisée notamment pour le dimensionnement du lanceur Ariane 5. L’Etage Principal Cryogénique est en effet constitué de coques cylindriques minces, qui sont soumises à une combinaison de chargements et donc sujettes au déclenchement d’instabilités pouvant être catastrophiques. Il est ainsi nécessaire d’avoir une meilleure compréhension du phénomène pour pouvoir améliorer ces méthodes de dimensionnement dans le cas de coques moyennement longues (1 < L/R < 3) et minces (250 < R/t <1500). Nous employons pour cela une approche à la fois numérique et expérimentale. L’outil numérique est utilisé, via une modélisation pertinente, afin de construire une nouvelle règle de dimensionnement et d’étudier l’influence des différents paramètres (géométriques, matériau). L’aspect expérimental a pris une place prépondérante, une large campagne nous permettant de valider les résultats simulations pour différentes configurations, mais également d’avoir une bonne compréhension du phénomène. Ces deux aspects de notre recherche nous ont également permis de mieux déterminer l’interaction entre les différents chargements (pression interne, compression, flexion, cisaillement), plus ou moins comprise selon les cas. / The stability of thin cylindrical shells has been studied for decades, but despite the accumulated knowledge on the subject, important questions remain, in particular regarding the design of such structures. The effect of geometrical imperfections is now well understood, but old design recommandations resulting from purely empirical approaches, are still used. The NASA SP8007 recommendation (1968) is one them, and leads to conservative designs. This rule is used in particular for the design of the Ariane 5 launcher. Indeed, the Principal Cryogenic Stage is made of thin cylindrical shells, subjected throughout the structure’s life cycle to a combination of loadings, and hence prone to possibly disastrous structural instabilities. It is is then necessary to better understand those phenomena in order to improve the design methods for relatively long (1 < L/R < 3) and thin (250 < R/t < 1500) shells. Our work is based on both numerical and experimental approaches. Numerical tools are used, through a relevant choice of the critical imperfections, to build a new design recommendation and study the influence of different parameters (geometrical or material). Experiments took an important place in our research, and the large experimental campaign allowed us to validate the numerical results for different configurations, and to better understand the physics of the problem as well. These two aspects of our study also enabled us to clarify the interaction between different loadings (internal pressure, compression, bending and transverse shear), which is today more or less understood, according to the case.

De nombreuses structures spatiales telles que les lanceurs sont équipées d’une mousse de protection thermique. Cette couche de matériau extrêmement léger présente d’excellentes propriétés d’isolation thermique mais des caractéristiques mécaniques très faibles. Il est ici proposé d’analyser le comportement au flambage de ce type de construction où une fine et légère structure, coque cylindrique en aluminium avec un ratio R/t de 665, est recouverte par une épaisse couche de mousse de faible densité. Afin d'évaluer l'effet du comportement au flambage de ce type de coque multicouche, des essais expérimentaux et numériques sont réalisés sur des cylindres faiblement pressurisés soumis à du cisaillement et de la flexion. Ce cas de charge représente la configuration « cas sol », d’un lanceur sur le pas de tir, dans l’attente du lancement, et soumis à des charges mécaniques extrêmes générées par le vent. / Many space structures such as launchers are equipped with a thermal foam protection barrier. This layer, of extremely light material generally exhibits excellent properties of heat insulation but very weak mechanical characteristics. This study is devoted to the analysis of the buckling behavior of this hybrid wall construction where the skin of a very thin light-weight structure, an aluminum cylindrical shell with an R/t ratio of about 665, is coated with a thick layer of foam with a low material density. To gauge the effect on the buckling behavior of this kind of multilayered shells, experimental and numerical tests are conducted on slightly pressurized cylindrical shells submitted to shear load. This load configuration represents the case of a rocket on the launching pad, waiting to be launched, and submitted to mechanical loads induced by the wind.

Ce travail de recherche répond aux besoins actuels et futurs dans le domaine de l’Aérospatial de faire évoluer les règles de dimensionnement au flambage des réservoirs structuraux de l’Etage Principal Cryogénique (EPC) des lanceurs. Ces réservoirs, composés de coques cylindriques, peuvent être associés à un faible raidissage en termes de masse ajoutée. L’objectif d’alléger le lanceur pour optimiser la charge utile, conduit au choix de coques constitutives de plus en plus minces, le risque de flambage sous diverses sollicitations est donc d’autant plus accru. Le dimensionnement au flambage de l’EPC est basé principalement sur la norme NASA SP8007 qui date de 1968, et qui semble trop conservative, notamment aux basses pressions. Précisons aussi, que l’EPC est équipé d’une couche de protection thermique (PT) qui n’est pas prise en compte dans le design au vue de sa très faible rigidité de membrane. La contribution de cette couche à la capacité de flambage de la coque est cependant un sujet ouvert. / This research work responds to the current and future requirements in Aerospatiale are to improve the design for buckling of the tanks of the Cryogenic Main Stage (EPC) of the launcher. These tanks are composed of cylindrical shells and can be associated with weak stiffening, which are becoming thinner and therefore more susceptible to a risk of buckling. The buckling design of the EPC based mainly on the NASA SP8007 standard, which is ac-cording to many specialists too preservative, especially under low pressure. Moreover, the EPC is equipped with a thermal protection layer (PT), which is extremely light and has an excellent thermal insulation property but very low mechanical properties. The contribution of this layer to the buckling capacity of a lightly pressurized thin cylindrical shell under var-ious solicitations, therefore, appears to be a major subject.