Concrete damage–plasticity model with double independent hardening

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Being an integral part of the modern construction, concrete is a complex nonlinear material. The behaviour of concrete depends to a large extent on stress–strain state and loading history. Among the structures of newly constructed and reconstructed buildings, there are a large number of elements operating in the conditions of the triaxial stress–strain state, alternating and cyclic loading. A phenomenological material model used in the numerical methods can serve as a universal tool that allows to describe the behavior of concrete under such conditions. The aim of the research is to develop the concrete model that allows to simulate material behavior with sufficient accuracy under static short-term loading. The model should reflect the key features, which characterizes the behaviour of concrete and have an algorithm for regularizing the problem of localization of irreversible deformations.Materials and methods. This research is based on the analytical generalization and systematization of the data received from domestic and foreign sources devoted to the plasticity theory and fracture mechanics of concrete and reinforced concrete.Results. The model was implemented in the ANSYS finite-element software package, with the help of which it is possible to apply custom material models. Comparison of the laboratory and numerical results for concrete and reinforced concrete was made.Conclusions. The presented model allows to simulate behavior of concrete with substantial accuracy within the static short-term loading and reflects main features of the material behavior. To regularize the problem of localization of irreversible deformations, the model uses an approach based on the crack band theory. The values of all parameters required for the utilisation of the material model are presented.

About the authors

A. M. Budarin

JSC Institute Hydroproject

Email: alex.budarin01@gmail.com

G. I. Rempel

JSC Institute Hydroproject

Email: g.rempel@hydroproject.ru

A. A. Kamzolkin

JSC NRC “Stadyo” (SRC “StaDiO”)

Email: holinmail@mail.ru

V. N. Alekhin

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)

Email: v.n.alekhin@urfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8291-6052

References

  1. Ильюшин А.А. Пластичность: основы общей математической теории. М. : Изд-во АН СССР, 1963. 271 с.
  2. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона. М. : Стройиздат, 1974. 316 с. EDN RSNPAX.
  3. Лейтес Е.С. К построению теории деформирования бетона, учитывающей нисходящую ветвь диаграммы деформаций материала : сб. науч. тр. НИИЖБ, 1982. С. 24–32.
  4. Яшин А.В. Теория деформирования бетона при простом и сложном нагружениях // Бетон и железобетон. 1986. № 8. С. 39–42.
  5. Недорезов А.В. Деформации и прочность железобетонных элементов при сложных режимах объемного напряженного состава : дис. … канд. техн. наук. Макеевка, 2018. 229 с.
  6. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М. : Стройиздат, 1996. 416 с.
  7. Клованич С.Ф. Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики. Запорожье : Издательство журнала «Свiт геотехнiки», 2009. 400 с.
  8. Kupfer H.B., Gerstle K.H. Behavior of concrete under biaxial stresses // Journal of the Engineering Mechanics Division. 1973. Vol. 99. Issue 4. Pp. 853–866. doi: 10.1061/jmcea3.0001789
  9. Ottosen N.S. Constitutive model for short-time loading of concrete // Journal of the Engineering Mechanics Division. 1979. Vol. 105. Issue 1. Pp. 127–141. doi: 10.1061/jmcea3.0002446
  10. Xing Y. Constitutive equation for concrete using strain-space plasticity model : Ph.D. thesis. New Jersey, 1993.
  11. Drucker D.C. Some implications of work hardening and ideal plasticity // Quarterly of Applied Mathematics. 1950. Vol. 7. Issue 4. Pp. 411–418. doi: 10.1090/qam/34210
  12. Prager W. Recent developments in the mathematical theory of plasticity // Journal of Applied Physics. 1949. Vol. 20. Issue 3. Pp. 235–241. doi: 10.1063/1.1698348
  13. Работнов Ю.Н. Введение в механику разрушения. М. : Наука, 1987. 80 с.
  14. Lee J., Fenves L.G. Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures // Journal of Engineering Mechanics. 1998. Vol. 124. Issue 8. Pp. 892–900. doi: 10.1061/(asce)0733-9399(1998)124:8(892)
  15. Etse G., Willam K. Fracture Energy Formulation for Inelastic Behavior of Plain Concrete // Journal of Engineering Mechanics. 1994. Vol. 120. Issue 9. Pp. 1983–2011. doi: 10.1061/(asce)0733-9399(1994)120:9(1983)
  16. Grassl P., Jirásek M. Damage-plastic model for concrete failure // International Journal of Solids and Structures. 2006. Vol. 43. Issue 22–23. Pp. 7166–7196. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2006.06.032
  17. Grassl P., Xenos D., Nyström U., Rempling R., Gylltoft K. CDPM2: A damage-plasticity approach to modelling the failure of concrete // International Journal of Solids and Structures. 2013. Vol. 50. Issue 24. Pp. 3805–3816. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2013.07.008
  18. Zreid I., Kaliske M. A gradient enhanced plasti-city–damage microplane model for concrete // Computational Mechanics. 2018. Vol. 62. Issue 5. Pp. 1239–1257. doi: 10.1007/s00466-018-1561-1
  19. Бударин А.М., Ремпель Г.И., Камзолкин А.А., Алехин В.Н. Деформационно-прочностная модель бетона с двойным независимым упрочнением // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 4. С. 517–532. doi: 10.22227/1997-0935.2023.4.517-532
  20. Menetrey P., Willam K.J. Triaxial failure criterion for concrete and its generalization // ACI Structural Journal. 1995. Vol. 92. Issue 3. doi: 10.14359/1132
  21. Fib model code for concrete structures 2010. 2013. doi: 10.1002/9783433604090
  22. Jiang H., Zhao H. Calibration of the continuous surface cap model for concrete // Finite Elements in Analysis and Design. 2015. Vol. 97. Pp. 1–19. doi: 10.1016/j.finel.2014.12.002
  23. Smith S.H. On fundamental aspects of concrete behavior : master’s thesis. Boulder, University of Colorado at Boulder, 1985.
  24. Соловьев Л.Ю. Нелинейная модель бетона на основе теории пластического течения // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). С. 131–140. EDN TFBEMN.
  25. Yang B.L., Dafalias J.F., Herrmann L.R. A bounding surface plasticity model for concrete // Journal of Engineering Mechanics. 1985. Vol. 111. Issue 3. Pp. 359–380. doi: 10.1061/(asce)0733-9399(1985)111:3(359)
  26. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М. : Госстройиздат, 1962. 98 с.
  27. Истомин А.Д., Беликов Н.А. Зависимость границ микротрещинообразования бетона от его прочности и вида напряженного состояния // Вестник МГСУ. 2011. № 2–1. С. 159–162. EDN OUVYTL.
  28. Семенов А.С. Вычислительные методы в теории пластичности : учебное пособие. СПб. : Изд-во Политехнического ун-та, 2008. 210 с. EDN QJUTBT.
  29. Samani A.K., Attard M.M. Lateral strain model for concrete under compression // ACI Structural Journal. 2014. Vol. 111. Issue 2. doi: 10.14359/51686532
  30. Bažant Z.P., Bishop F.C., Chang T. Confined compression tests of cement paste and concrete up to 300 ksi // ACI Journal Proceedings. 1986. Vol. 83. Issue 4. doi: 10.14359/10448
  31. Fossum A.F., Fredrich J.T. Cap plasticity models and compactive and dilatant pre-failure deformation // 4th North American Rock Mechanics Symposium. Seattle, Washington, 2000. Pp. 1169–1176.
  32. Azadi Kakavand M.R., Taciroglu E. An enhanced damage plasticity model for predicting the cyclic behavior of plain concrete under multiaxial loading conditions // Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2020. Vol. 14. Issue 6. Pp. 1531–1544. doi: 10.1007/s11709-020-0675-7
  33. Bažant Z., Planas J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. Boca Raton : C.R.C., 1998. doi: 10.1201/9780203756799
  34. Jirásek M., Bauer M. Numerical aspects of the crack band approach // Computers & Structures. 2012. Vol. 110–111. Pp. 60–78. doi: 10.1016/j.compstruc.2012.06.006
  35. Galavi V., Schweiger H.F. Nonlocal multilaminate model for strain softening analysis // International Journal of Geomechanics. 2010. Vol. 10. Issue 1. Pp. 30–44. doi: 10.1061/(asce)1532-3641(2010)10:1(30)
  36. Bažant Z.P., Oh B.H. Crack band theory for fracture of concrete // Matériaux et Constructions. 1983. Vol. 16. Issue 3. Pp. 155–177. doi: 10.1007/bf02486267
  37. Červenka J., Červenka V., Laserna S. On crack band model in finite element analysis of concrete fracture in engineering practice // Engineering Fracture Mechanics. 2018. Vol. 197. Pp. 27–47. doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.04.010
  38. Imran I., Pantazopoulou S.J. Experimental study of plain concrete under triaxial stress // ACI Materials Journal. 1996. Vol. 93. Issue 6. doi: 10.14359/9865
  39. Kupfer H.B., Gerstle K.H. Behavior of concrete under biaxial stresses // Journal of the Engineering Mechanics Division. 1973. Vol. 99. Issue 4. Pp. 853–866. doi: 10.1061/jmcea3.0001789
  40. Caner F.C., Bažant Z.P. Microplane model M4 for concrete. II: Algorithm and calibration // Journal of Engineering Mechanics. 2000. Vol. 126. Issue 9. Pp. 954–961. doi: 10.1061/(asce)0733-9399(2000)126:9(954)
  41. Gopalaratnam V.S., Shah S.P. Softening response of plain concrete in direct tension // ACI Journal Proceedings. 1985. Vol. 82. Issue 3. doi: 10.14359/10338
  42. Karsan I.D., Jirsa J.O. Behavior of concrete under compressive loadings // Journal of the Structural Division. 1969. Vol. 95. Issue 12. Pp. 2543–2564. doi: 10.1061/jsdeag.0002424
  43. Guandalini S. Poinçonnement symétrique des dalles en béton armé : Ph.D. Thesis. Lausanne, 2006. doi: 10.5075/epfl-thesis-3380
  44. Kormeling H.A., Reinhardt H.W. Determination of the fracture energy of normal concrete and epoxy modified concrete. Stevin Laboratory, Delft University of Technology, Report No. 5-83-18, 1983.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».