Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/1822/46013

TítuloConstitutive models to simulate failure of structures made by cement based materials
Autor(es)Behbahani, Ali Edalat
Orientador(es)Barros, Joaquim A. O.
Gouveia, António Ventura
Palavras-chavefinite element analysis
plastic-damage multidirectional fixed smeared crack model
compressive nonlinearity
cracked concrete
RC structures
cement based materials
Data6-Fev-2017
Resumo(s)Nonlinear Finite Element Analysis (NFEA) has been widely adopted as an effective and reliable method to analyze reinforced concrete (RC) structures subjected to various loading scenarios. Amongst many key factors that affect the reliability of a NFEA tool used for analysing RC structures, the selected constitutive model still remains the foremost challenging task due to the complexity of concrete behaviour associated to the cracking in tension and crushing in compression. The present work proposes a new constitutive model for cement based materials, allowing the possibility of simulating the complex functioning of concrete under both tension and compression. The model proposes a unified approach combining a multidirectional fixed smeared crack model to simulate the crack initiation and propagation with a plastic-damage model to account for the inelastic compressive behaviour of concrete between cracks. The smeared cracking model considers the possibility of forming several cracks in the same integration point, whose orientations, conditioned by an adopted criterion, are however preserved constant during the cracking process. The crack initiation is governed by the Rankine failure criterion, whereas the crack propagation (crack opening process) is simulated by a trilinear (or a quadrilinear) softening diagram. Two approaches are available to simulate the fracture mode II: one based on the concept of shear retention factor, and the other one on a shear softening diagram that requires some information about the fracture mode II propagation. The plasticity model is defined by four entities: yield function (yield surface); flow rule; evolution law for the hardening variable; and condition for defining loading–unloading process. Evolution of the yield surface during the plastic flow is governed by a single hardening parameter for compression. The plasticity part is responsible for simulating irreversible strains and volumetric strain in compression, whereas the strain softening and stiffness degradation of the material under compression are simulated by a strain based isotropic damage model. In this damage approach the state of damage in concrete under compression is equally distributed in all directions, and can be represented by a scalar damage parameter. Calculation of the scalar damage parameter is an explicit operation as this parameter is driven by the plastic hardening parameter. Two versions of the model are developed, one dedicated to concrete structures subjected to plane stress fields, and the second for being applied to concrete structures submitted to three dimensional stress states. Both versions of the model are implemented into FEMIX 4.0 computer program. To appraise the performance of the model and to evidence the interaction between cracking and plasticity-damage parts of the model, some numerical tests at material level are executed, and the obtained results are discussed. The model appraisal at the structural level is also considered. The set of experimental tests simulated in this thesis covers a wide range of specimens regarding geometry, concrete type, loading configurations, and reinforcement conditions, in order to demonstrate the robustness of the developed model. These structures are of particular interest for the assessment of the reliability of the model, since in these examples the failure mechanism involved simultaneous occurrence of cracking and inelastic deformation in compression. The predictive performance of the model in terms of load carrying capacity, ductility, crack pattern, plastic zones, and failure modes is obtained by comparing the results of the numerical simulations and the available experimental data.
O método dos elementos finitos (MEF) tem-se revelado eficaz na análise não linear de estruturas de betão armado submetidas a diferentes tipos de carregamentos. De entre os muitos fatores que podem afetar a fiabilidade de uma ferramenta capaz de efetuar uma análise não linear usando o MEF, o modelo constitutivo selecionado ainda continua a ser o desafio mais importante, nomeadamente devido à complexidade do comportamento do betão associado à fendilhação quando sujeito a tração e ao esmagamento em compressão. O presente trabalho propõe um novo modelo constitutivo, capaz de simular o comportamento complexo de materiais de matriz cimentícia quando sujeitos a esforços de tração e de compressão. O modelo propõe uma abordagem unificada, combinando um modelo de múltiplas fendas fixas distribuídas que permite simular o início de fendilhação e a sua propagação com um modelo de dano e plasticidade para simular o comportamento inelástico do betão entre fendas. O modelo de fendilhação permite a formação de várias fendas por ponto de integração, cuja orientação é condicionada por um determinado critério e preservada constante durante o processo de fendilhação. A abertura de fenda é condicionada pelo critério de Rankine, sendo o seu desenvolvimento simulado por intermédio de um diagrama de amolecimento trilinear ou quadrilinear. Duas abordagens estão disponíveis para simular o modo II de fratura: uma baseada no conceito de fator de retenção ao corte, e o outro utilizando um diagrama de amolecimento definido com base nos parâmetros do modo II de fractura. O modelo de plasticidade é definido: pela função de cedência (superfície de cedência); lei de escoamento plástico; lei de endurecimento; condição para a definição do processo de carga e descarga. A evolução da superfície de cedência durante o escoamento plástico é governada por um único parâmetro de endurecimento. A parte da plasticidade é responsável por simular as deformações irreversíveis e a deformação volumétrica em compressão, enquanto o amolecimento e a degradação da rigidez do material sob compressão são simulados por um modelo de dano isotrópico. Nesta abordagem, o estado de dano no betão sob compressão é igualmente distribuído em todas as direções, e pode ser representado por um escalar denominado parâmetro de dano. O modelo proposto é desenvolvido numa primeira fase para estados planos de tensão e posteriormente generalizado para estados de tensão tridimensionais. Estas duas versões do modelo foram integradas no código computacional denominado FEMIX 4.0. De forma a evidenciar as partes do modelo que têm em conta a simulação da propagação da fendilhação, do dano e da plasticidade, bem como da sua interação, são executados alguns testes numéricos focados no comportamento do material, sendo os seus resultados discutidos. Os ensaios experimentais escolhidos para avaliar a robustez do modelo a nível estrutural abrangem uma ampla gama de elementos no que respeita a geometria, tipo de betão, configurações de carga e de reforço. Estas estruturas são de particular interesse para a avaliação da fiabilidade do modelo, uma vez que nestes exemplos ocorrem simultaneamente fendilhação e deformação plástica em compressão. O desempenho do modelo em termos de previsão da capacidade de carga, da ductilidade, do padrão de fendilhação, das zonas plásticas e dos modos de rutura é obtido comparando os resultados das simulações numéricas com os dos ensaios experimentais disponíveis.
TipodoctoralThesis
DescriçãoTese de Doutoramento - Plano de tese no âmbito do Programa Doutoral em Engenharia Civil
URIhttp://hdl.handle.net/1822/46013
AcessoopenAccess
Aparece nas coleções:ISISE - Teses de Doutoramento
BUM - Teses de Doutoramento

Ficheiros deste registo:
Ficheiro Descrição TamanhoFormato 
PhD Thesis_Ali Edalat Behbahani_2017.pdf6,99 MBAdobe PDFVer/Abrir

Partilhe no FacebookPartilhe no TwitterPartilhe no DeliciousPartilhe no LinkedInPartilhe no DiggAdicionar ao Google BookmarksPartilhe no MySpacePartilhe no Orkut
Exporte no formato BibTex mendeley Exporte no formato Endnote Adicione ao seu Currículo DeGóis