Validation of microplane coupled damage-plasticity model with gradient regularization (MCDPMwGR) on prestressed and non-prestressed concrete beams

• Autorzy: Kowalski Damian , Gąćkowski Roman , Selejdak Jacek

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.153332

Warianty tytułu

PL

Walidacja modelu mikropłaszczyznowego sprzężonego uszkodzeniowo-plastycznego z regularyzacją gradientową (MCDPMwGR) na belkach betonowych sprężanych i niesprężanych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper aims validation of a microplane coupled damage-plasticity model with gradient regularization (MCDPMwGR) by simulating concrete behavior in reinforced concrete beams, both prestressed and non-prestressed. It uses experimental data from available papers. Tendons were modelled in a discrete form using one-dimensional finite elements. Prestress force was inflicted by a temperature drop. Contact issues were taken into account, i.e., friction and pressure at the interface between the cable and the duct wall. In the course of the work, it was found that it is possible to obtain satisfactory accuracy of results with the model in use. The adverse effects, present in other models were not observed. These are, among others, overestimate of ultimate load and excessive influence of tensile strength on the ultimate load value. We can observe such effects in plastic models (e.g., Menetrey-Willam or Drucker-Prager model) as well as non-coupled damage models (e.g., damage evolution model, microplane elastic model). Accurate P – – Δ (load-deflection) curves, matching with experimental data, were achieved. It is worth mentioning that the best curve fitting for beams made out of the same concrete was obtained using the same parameter values. This is true also when comparing prestressed and non-prestressed beams. It suggests significant potential of damage-plasticity model in predicting the true behavior of concrete. Yet, there are still some issues that need further analysis. They concern mainly influence of simplifications made during modelling prestressed beams on final results.

PL

Celem pracy jest walidacja modelu mikropłaszczyznowego sprzężonego uszkodzeniowo-plastycznego z regularyzacją gradientową (MCDPMwGR) poprzez symulację zachowania betonu w belkach żelbetowych, zarówno sprężonych, jak i niesprężonych. Wykorzystano dane eksperymentalne z dostępnych publikacji. Cięgna zamodelowano w postaci dyskretnej, przy użyciu jednowymiarowych elementów skończonych. Siła sprężająca była modelowana spadkiem temperatury. Uwzględniono kwestie styku, czyli tarcia i docisku na styku kabla ze ścianą kanału. W toku prac stwierdzono, że przy zastosowanym modelu możliwe jest uzyskanie zadowalającej dokładności wyników. Nie zaobserwowano negatywnych skutków występujących w innych modelach. Są to między innymi: przeszacowanie obciążenia granicznego oraz nadmierny wpływ wytrzymałości na rozciąganie na wartość obciążenia niszczącego. Efekty takie możemy zaobserwować w modelach plastycznych (np. model Menetreya-Willama czy Druckera-Pragera) oraz w modelach uszkodzeniowych niesprzężonych (np. model ewolucji uszkodzeń, model mikropłaszczyznowy sprężysty). Uzyskano dokładne krzywe P–Δ (odkształcenie obciążenia), zgodne z danymi eksperymentalnymi. Warto wspomnieć, że najlepsze dopasowanie krzywej dla belek wykonanych z tego samego betonu uzyskano przy zastosowaniu tych samych wartości parametrów. Dotyczy to również porównania belek sprężonych i niesprężonych. Sugeruje to znaczny potencjał modelu uszkodzeniowo-plastycznego w przewidywaniu prawdziwego zachowania betonu. Jednakże nadal istnieją pewne kwestie wymagające dalszej analizy. Dotyczą one głównie wpływu uproszczeń dokonanych podczas modelowania belek sprężonych na wyniki końcowe.

Słowa kluczowe

EN

concrete modelling; coupled damage-plasticity; microplane model; nonlinear analysis; numerical calculation; prestressed structure

PL

analiza nieliniowa; konstrukcja sprężona; model mikropłaszczyznowy; modelowanie betonu; obliczenia numeryczne; sprzężenie uszkodzeniowo-plastyczne

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 1
• Strony: 241--257
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kowalski Damian

• Częstochowa University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Częstochowa, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0257-7642

autor

Gąćkowski Roman

• Częstochowa University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Częstochowa, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4456-3011

autor

Selejdak Jacek

• Częstochowa University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Częstochowa, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9854-5962

Bibliografia

• [1] P. Smarzewski, Modelowanie statycznego zachowania niesprężystych belek żelbetowych wykonanych z betonu wysokiej wytrzymałości. Lublin: Politechnika Lubelska, 2011.
• [2] P. Smarzewski and A. Stolarski, “Numerical analysis on the high-strength concrete beams ultimate behaviour”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 245, no. 3, 2017, doi: 10.1088/1757-899X/245/3/032013.
• [3] O.F. Hussien, T.H.K. Elafandy, A.A. Abdelrahman, S.A. Abdel Baky, and E.A. Nasr, “Behavior of bonded and unbonded prestressed normal and high strength concrete beams”, Housing and Building National Research Center Journal, vol. 8, no. 3, pp. 239-251, 2012, doi: 10.1016/j.hbrcj.2012.10.008.
• [4] N. Staszak, T. Garbowski, and B. Ksit, “Application of the generalized nonlinear constitutive law in numerical analysis of hollow-core slabs”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 2, pp. 125-145, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140633.
• [5] N.A.M. Mortar, et al., “Finite element analysis on structural behaviour of geopolymer reinforced concrete beam using Johnson-Cook Damage in Abaqus”, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 67, no. 4, pp. 1349-1354, 2022, doi: 10.24425/amm.2022.141061.
• [6] M. Cwyl, S. Wierzbicki, and R. Michalczyk, “Laboratory tests and numerical analysis of façade substructure made of austenitic steel”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 237-252, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143036.
• [7] S.P. Shah, “Determination of fracture parameters (KsIC and CTODc) of plain concrete using three-point bend tests”, Materials and Structures, vol. 23, no. 6, pp. 457-460, 1990, doi: 10.1007/BF02472029.
• [8] EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings. CEN, 2004.
• [9] L.R. Alejano and A. Bobet, “Drucker-rager criterion”, Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 45, no. 6, pp. 995-999, 2012, doi: 10.1007/s00603-012-0278-2.
• [10] T. Yu, J.G. Teng, Y.L.Wong, and S.L. Dong, “Assessment of drucker-prager type plasticity models for predicting the behaviour of FRP-confined concrete”, in Proceedings of the First Asia-Pacific Conference on FRP in Structures, S. T. Smith, Ed. Hong Kong: International Institute for FRP in Construction, 2007, pp. 161-166. [Online]. Available: https://ro.uow.edu.au/eispapers/559/.
• [11] A.A. Pisano, “An algorithmic approach for peak load evaluation of structural elements obeying a Menetrey-Willam type yield criterion”, Electronic Journal of Differential Equations, vol. 167, pp. 1-9, 2012.
• [12] A.A. Pisano, P. Fuschi, and D. De Domenico, “Peak load computation of 3D concrete elements by Menétrey-Willam pressure sensitive yield condition”, in Conference: Atti del XIX Convegno Italiano di Meccanica Computazionale GIMC2012, 2012. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/267379171.
• [13] P. Kral, P. Hradil, J. Kala, F. Hokes, and M. Husek, “Identification of the parameters of a concrete damage material model”, Procedia Engineering, vol. 172, pp. 578-585, 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.02.068.
• [14] I. Carol and P.C. Pratt, “New explicit microplane model for concrete: theoretical aspects and numerical implementation”, International Journal of Solids and Structures, vol. 29, no. 9, pp. 1173-1191, 1992, doi: 10.1016/0020-7683(92)90141-F.
• [15] W. Sumelka, et al., “Dynamic failure of the aluminium plate under air-blast loading in the framework of the fractional viscoplasticity model - theory and validation”, International Journal of Impact Engineering, vol. 158, 2021, doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104024.
• [16] W. Sumelka, “Fractional viscoplasticity”, Mechanics Research Communications, vol. 56, pp. 31-36, 2014, doi: 10.1016/j.mechrescom.2013.11.005.
• [17] I. Zreid and M. Kaliske, “A gradient enhanced plasticity-damage microplane model for concrete”, Computational Mechanics, vol. 62, no. 5, pp. 1239-1257, 2018, doi: 10.1007/s00466-018-1561-1.
• [18] I. Zreid and M. Kaliske, “A cyclic triaxial concrete microplane model with gradient regularization”, in Computational Modelling of Concrete Structures, G. Meschke, B. Pichler, and J. G. Rots, Eds. London: Taylor & Francis Group, 2018, pp. 413-420.
• [19] H. Kupfer, H.K. Hilsdorf, and H. Rusch, “Behavior of Concrete Under Biaxial Stresses”, ACI Journal, vol. 66, pp. 656-666, 1969.
• [20] J. Lubliner, J. Oliver, S. Oller, and E. Oñate, “A plastic-damage model for concrete”, International Journal of Solids and Structures, vol. 25, no. 3, pp. 299-326, 1989.
• [21] S. Wang and D. Wang, “A study on the deflection and crack layout in a hollow slab bridge”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 3, pp. 541-555, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.146096.
• [22] Z.P. Bazant and G. Pijaudier-Cabot, “Measurement of characteristic length of nonlocal continuum”, Journal of Engineering Mechanics, vol. 115, no. 4, pp. 755-767, 1989.
• [23] Model Code 2010: First complete draft. International Federation for Structural Concrete, 2010.
• [24] E.A. Hansen, “Determination of the tensile strength of concrete”, Nordic Concrete Research-Publications, vol. 17, pp. 1-17, 1995.
• [25] M. Ahmed, J. Mallick, and M. Abul Hasan, “A study of factors affecting the flexural tensile strength of concrete”, Journal of King Saud University - Engineering Sciences, vol. 28, no. 2, pp. 147-156, 2016, doi: 10.1016/j.jksues.2014.04.001.