Simulations of Ultimate Limit States under Wind Loading by Combined Finite Discrete Element Method : Doctoral Thesis

Abstract

U hrvatskom priobalju dominantni lokalni vjetrovi, Bura i Jugo, imaju izrazito različit karakter. Različitost njihovih karaktera manifestira se na njihovo djelovanje na konstrukcije. Analizom vremenskih serija zapisa vjetra na stupu „Bobani“ utvrđeni su parametri koji potvrđuju različitost ovih lokalnih vjetrova kao što su: koeficijent promjene srednje brzine po visini, faktor mahovitosti vjetra, intenziteta turbulencije, spektara turbulencije, gustoće zraka, parametara korelacije, odgovor konstrukcije u vidu akceleracija kritičnih točak te su uspoređeni sa odgovarajućim parametrima u Eurocode normama. Numerički model ponašanja rešetki, lančanica i membrana razvijen je na temelju numeričkog modela Y baziranog na kombiniranoj konačno-diskretnoj metodi. Za navedenu metodu razvijen je vlastiti set konačno-diskretnih elemenata kojima je moguće simulirati ponašanje konstrukcija do graničnih stanja. Za nove konačno-diskretne elemente, razvijene su metode za simulaciju opterećenje vjetrom koji su bazirani na parametrima dobivenim iz analize zapisa profila vjetra. Model uključuje sljedeće karakteristike: velike pomake, rotacije i deformacije elemenata, tranzijentna analiza uz eksplicitnu integraciju kojom se postiže zadovoljavajuća preciznost u svakom vremenskom trenutku, geometrijska i materijalna nelinearnost, aeroelastično prigušenje, opterećenje vjetrom bazirano na neosrednjenim zapisima vjetra. Valjanost numeričkog modela testirana je analitičkim verifikacijskim primjerima te usporedbom zapisa odgovora konstrukcije prikupljenog u tijeku terenskog eksperimenta Bobani. Usporedbom rezultata numeričkog modela i rezultata analitičkih rješenja i eksperimenata pokazano je da je model prihvatljiv za uporabu, te da sa zadovoljavajućom točnosti prati stvarno ponašanje konstrukcija.In Croatian coastal area dominant local winds Bora and Sirocco (Jugo) have significantly different regimes. Difference in their regimes is manifested onto their loading on constructions. Using analysis of time series of wind speeds collected at full scale field experiment “Bobani” the parameters that differs were deduced. Those parameters include wind shear factor, wind gust factor, turbulence intensity, and spectra of turbulence, air density, correlation parameters and construction response factor. Also, these parameters are compared to those given in Eurocode. Next, numerical model for simulation of truss structures, cables and membranes are developed from Y code software based on combined finite-discrete element method. For stated method, new element types are developed which can simulate stated constructions until ultimate limit state. For new element types, wind loading method is developed based on parameters deduced form wind time series analysis. The numerical model includes large displacements, strains and rotations of elements, transient analysis with explicit integration scheme, geometric and material nonlinearity, aeroelastic damping. Numerical model is verified with comparison to analytical solutions and experimental studies including full-scale field experiment “Bobani”. The verification shows extends of usage of model and confirm model accuracy