Advanced damage modelling for seismic assessment of timber structure

Abstract

Throughout this thesis, advanced numerical tools and laboratory tests are investigated that will allow an accurate prediction of the global nonlinear structural response of hybrid timber-steel connections under cyclic loading. The conceptual development of the model, its mathematical formulation, numerical coding and implementation in a commercial FE software are documented in this thesis. Furthermore, the proposed timber material model has been developed within the framework of the Continuum Damage Mechanics (CDM) theory, making it ideal for damage evolution modelling and behaviour-based seismic assessment of timber structures. Experimental studies available in the literature were employed to assess the accuracy and overall performance of the proposed constitutive model at the material and structural (or component) level. Additional local responses not easily identifiable from the experiments, such as potential internal cracking and crushing zones, damage extent or plastic deformation magnitudes, were obtained from the 3D continuum model. The proposed new plasticity-damage model captures for the first time the key features of nonlinear cyclic behavior of wood at both material and component levels, including: i) cyclic degradation of stiffness and strength, ii) local brittle failure due to tensile and shear stresses, iii) local ductile failure due to compressive stresses, iv) stiffness recovery upon load reversal (crack opening and closing), and v) permanent plastic deformation due to compressive stresses.

A lo largo de esta tesis se investigan ensayos de laboratorio y herramientas numéricas avanzadas que permitirán una predicción precisa de la respuesta estructural global no lineal de las conexiones híbridas-madera-acero bajo la acción de cargas cíclicas. En esta tesis se documenta el desarrollo conceptual del modelo, su formulación matemática, codificación numérica e implementación en un software comercial de EF. Por otra parte, el modelo de material de madera propuesto se ha desarrollado en el marco de la teoría de la Mecánica del Daño Continuo (MDC), lo que lo hace ideal para la modelización de la evolución del daño y para la evaluación sísmica basada en el comportamiento de estructuras de madera. Se emplearon estudios experimentales disponibles en la literatura para evaluar la precisión y el rendimiento global del modelo constitutivo propuesto a nivel de material y a nivel estructural (o de componente). A partir del modelo 3D continuo se obtuvieron respuestas locales adicionales no fácilmente identificables a partir de los experimentos, como las zonas internas de agrietamiento y aplastamiento potenciales, la extensión de los daños o las magnitudes de las deformaciones plásticas. El nuevo modelo de plasticidad-daño propuesto captura por primera vez las características clave del comportamiento cíclico no lineal de la madera a nivel de material y de componente, incluyendo: i) degradación cíclica de la rigidez y la resistencia, ii) fallo local frágil debido a tensiones de tracción y cizalladura, iii) fallo local dúctil debido a tensiones de compresión, iv) recuperación de la rigidez tras la inversión de la carga (apertura y cierre de grietas), y v) deformación plástica permanente debido a tensiones de compresión.