Finite element modelling of plain and reinforced concrete specimens with the Kotsovos and Pavlovic material model, smeared crack approach and fine meshes

Modelling of concrete through 3 D constitutive material models is a challenging subject due to the numerous nonlinearities that occur during the monotonic and cyclic analysis of reinforced concrete structures. Additionally, the ultimate limit state modelling of plain concrete can lead to numerical instabilities given the lack of steel rebars that usually provide with the required tensile strength inducing numerical stability that is required during the nonlinear solution procedure. One of the commonly used 3 D concrete material models is that of the Kotsovos and Pavlovic, which until recently it was believed that when integrated with the smeared crack approach, it can only be used in combination with relatively larger in size finite elements. The objective of this study is to investigate into this misconception by developing different numerical models that foresee the use of fine meshes to simulate plain concrete and reinforced concrete specimens. For the needs of this research work, additional experiments were performed on cylindrical high strength concrete specimens that were used for additional validation purposes, whereas results on a reinforced concrete beam found in the international literature were used as well. A discussion on the numerical findings will be presented herein by comparing the different experimental data with the numerically predicted mechanical response of the under study concrete material model.

Effects of Curing-Induced Residual Stress on Composite Strength

An integrated processing-damage model was developed to predict the inter-lamina strength of a plain weave composite flange manufactured using the Resin Transfer Molding (RTM) technique. The plain weave composite flange was subjected to four-point bending test to characterize its inter-lamina strength. A Representative Volume Element (RVE) at the fiber–matrix level was established to study the effect of curing-induced residual stress on the resulting composite strength. In order to calculate the residual stress, the curing cycle of the experiment was imposed on the RVE. After fully cured, the RVE was virtually loaded and the cohesive element and Smeared Crack Approach (SCA) were employed to capture the fiber-matrix debonding and matrix cracking responses, respectively. Due to the nature of stress history dependency, the SCA was formulated in the incremental form to reflect the stress buildup. The result shows that both fiber-matrix debonding and matrix cracking can be captured during the virtual loading. However, the load drop in the simulation mainly depends the matrix cracking. As the stress buildup in the matrix is dramatic, it demonstrates that the residual stress has large impact on the composite inter-lamina strength. The numerical methods in this paper can be used as an efficient tool in optimizing the curing process of composite material.

Análisis no lineal elástico en vigas de concreto a través del Modelo Fijo de Grietas Dispersas

El presente estudio trata sobre el análisis del agrietamiento en vigas de concreto sujetas a cargas monotónicas a través de un cálculo pseudo-estático. El fundamento teórico se basa en el Método de Grietas Dispersas (Smeared Crack Approach) de la Mecánica de Fractura, el cual será evaluado dentro de un algoritmo de análisis considerando el Método de Elementos Finitos. El objetivo principal es proponer un modelo computacional para el cálculo de deflexiones instantaneas y la modelación del agrietamiento en vigas de concreto armado sometidas a cargas de servicio. Con este propósito, se evaluaron las vigas analizadas por diversos autores. Los resultados del estudio se presentan mediante curvas fuerza-desplazaminto, la secuencia de propagación del agrietamiento y la evaluación de la resistencia última. Se consideró un modelo frágil de esfuerzo y deformación en la grieta. De esta manera, para los elementos analizados, se demostró que el modelo utilizado es capaz de predecir adecuadamente el proceso de agrietamiento y de calcular las deflexiones instantáneas en vigas de concreto, teniendo en cuenta resultados experimentales existentes.

The effect of concrete creep on the long-term tension-stiffening law and prediction of a time-dependent inertia moment of the cracked RC flexural cross-sections

In the paper, a long-term stress-strain model is proposed for predicting the deformational response of the cracked reinforced concrete beams subjected to sustained bending. The linear and non-linear evolution creep strains is evaluated in the analytical manner by using an average stress-strain approach. The cracking and creep phenomena are coupled by two reologic elements connected in a series. In this way, the total strain of concrete prior to cracking is determined by a linear creep law accounting for the stress rate effect, while the post-cracking behavior is specified as a sum of elastic strain between cracks, creep and cracked concrete strain, defined by the descending branch of the stress-strain law. The smeared crack approach is adopted and, in turn, this law is associated with the tension stiffening phenomenon. The formulae accounting for the tension stiffening decay with time due to time-variable stress are proposed and applied in prediction of the inertia moment of the cracked RC flexural members along with the obtained results verification with the experimental data.

Effects of Nonuniform Fiber Geometries on the Microstructural Fracture Behavior of Ceramic Matrix Composites

Microstructural fracture behavior of a ceramic matrix composite (CMC) with nonuniformly distributed fibers is studied in the presentation. A comprehensive numerical analysis package to study the effect of nonuniform fiber dimensions and locations on the microstructural fracture behavior is developed. The package starts with an optimization algorithm for generating representative volume element (RVE) models that are statistically equivalent to experimental measurements. Experimentally measured statistical data are used as constraints while the optimization algorithm is running. Virtual springs are utilized between any adjacent fibers to nonuniformly distribute the coated fibers in the RVE model. The virtual spring with the optimization algorithm can efficiently generate multiple RVEs that are statistically identical to each other. Smeared crack approach (SCA) is implemented to consider the fracture behavior of the CMC material in a mesh-objective manner. The RVEs are subjected to tension as well as the shear loading conditions. SCA is capable of predicting different fracture patterns, uniquely defined by not only the fiber arrangement but also the specific loading type. In addition, global stress-strain curves show that the microstructural fracture behavior of the RVEs is highly dependent on the fiber distributions.

An accurate and computationally efficient three dimensional nonlinear model for the analysis of large-scale RC structures subjected to cyclic and dynamic loading conditions

Η προσομοίωση της περίπλοκης συμπεριφοράς του οπλισμένου σκυροδέματος όταν υποβάλλεται σε διαξονική ή τριαξονική ανακυκλική ένταση αποτελεί αντικείμενο έρευνας πολλών ερευνητών τις τελευταίες δεκαετίες. Το σκυρόδεμα είναι ένα ανομοιογενές σύνθετο υλικό όπου παρουσιάζει πολύπλοκη συμπεριφορά η οποία επηρεάζεται από της συνθήκες φόρτισης, την γεωμετρία διατομών και φορέα, ποσοστό οπλισμού και διαδικασία κατασκευής. Τα καταστατικά μοντέλα που έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία, εξαρτώνται από ένα σύνολο παραμέτρων με τις οποίες καλύπτουν ένα περιορισμένο φάσμα προβλημάτων-φορέων (δοκούς, στύλους, τοιχία). Το προτεινόμενο καταστατικό μοντέλο περιγράφεται μέσω κατάλληλου αλγοριθμικού σχεδιασμού και βασίζεται στην ψαθυρότητα του υλικού κάνοντας χρήση των καταστατικών σχέσεων που έχουν προκύψει από τριαξονική πειραματική διερεύνηση (Kotsovos and Newman 1977). Ένα βασικό προνόμιο του προτεινόμενου καταστατικού μοντέλου είναι οι καταστατικές σχέσεις εξαρτώνται μόνο από την μονοαξονική αντοχή του σκυροδέματος σε θλίψη fc. Η ρηγμάτωση προσομοιώνεται με την μέθοδο της διανεμημένης ρηγμάτωσης (smeared crack approach). Επιπλέον, ένα νέο κριτήριο κλεισίματος των ρωγμών προτάθηκε το οποίο βοήθησε στην ευστάθεια και ακρίβεια της υπολογιστικής διαδικασίας στην περίπτωση της ανάλυσης υπό οριακή ανακυκλιζόμενη φόρτιση του εξεταζόμενου φορέα. Επιπλέον προτάθηκαν δύο παράμετροι βλάβης οι οποίοι απομειώνουν την συνεισφορά του σκυροδέματος και του οπλισμού λόγω έντονη ρηγμάτωσης και του αριθμού του ανοιγοκλεισίματος των ρωγμών. Με αυτόν τον τρόπο το μοντέλο κατάφερε να προσομοιώσει ακριβέστερα την συμπεριφορά κατασκευών που υπόκεινται σε πολλούς κύκλους φόρτισης καθώς και σε δυναμικές φορτίσεις.Για την αριθμητική προσομοίωση του σκυροδέματος χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα 8-κομβικά πεπερασμένα στοιχεία. Παράλληλα οι ράβδοι οπλισμού προσομοιώθηκα ως ενσωματωμένα διακριτά στοιχεία (embedded discrete elements) στο εσωτερικό των 8-κομβικών στοιχείων σκυροδέματος. Για τα στοιχεία του οπλισμού χρησιμοποιήθηκαν τα στοιχεία δοκού με την μέθοδο δυνάμεων (natural beam column flexibility based elements). Επίσης χρησιμοποιήθηκε ένας υβριδικός τρόπος διακριτοποίησης για κατασκευές μεγάλης κλίμακας από οπλισμένο σκυρόδεμα, με τον οποίο το προτεινόμενο τρισδιάστατο λεπτομερές προσομοίωμα χρησιμοποιείται σε περιοχές όπου η συμπεριφορά του υλικού χαρακτηρίζεται ως διατμητική (κόμβοι τοιχία) ενώ οι περιοχές του σκυροδέματος που χαρακτηρίζονται από καμπτική συμπεριφορά (ενδιάμεσα τμήματα δοκών και κολώνων) διακριτοποιούνται με χρήση δομικών στοιχείων δοκού. Με αυτόν τον τρόπο, απομειώνεται σημαντικά το υπολογιστικό κόστος χωρίς σημαντικές επιπτώσεις στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Το προτεινόμενο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση φορέων με διαφορετική μηχανική συμπεριφορά όπως τοιχία, δοκούς, κόμβους από οπλισμένο σκυρόδεμα που καταπονούνται σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Η ανάλυση έδειξε ότι τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ικανοποιητική ακρίβεια σε σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα χαρακτηριστικά όπως την απομείωση της δυσκαμψίας, της αντοχής και της στένωσης των κύκλων υστέρησης (pinching effect). Το υβριδικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση ενός τετραωρόφου κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα σε ανακυκλιζόμενη φόρτιση που αναπαριστούσε χαμηλής και υψηλής έντασης σεισμική φόρτιση. Τέλος εξετάστηκαν εναλλακτικοί τρόποι ενίσχυσης του κτιρίου όπου διεξάχθηκε ιδιομορφική ανάλυση για την διερεύνηση της αποδοτικότητας τους.