Stochastic finite element method as a tool for modelling of deterioration of concrete structures

• Autorzy: Kerźner Z. , Novák D. , Rusina R. , Teplý B.

Warianty tytułu

PL

Metoda elementów skończonych jako podejście do modelowania degradacji struktury betonu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The carbonation of concrete and the corrosion of reinforcement are significant service life factors. The modelling of these phenomena via random fields and subsequent stochastic finite element analysis (SFEM) is suggested in this paper. The statistical variation of carbonation of concrete and the corrosion of reinforcement are taken into account. A constitutive model of deterioration based on the change of the structural stiffness is applied in order to make the model tractable for the use in subsequent structural analysis. For that reasion deterioration constitutive model is implemented into the stochastic finite element method. The two-dimensional plane elastic stress/strain stochastic isoparametric quadrilateral finite elements are used. A Monte Carlo type simulation of random fields is combined with Neumann expansion of the inverse global stiffness matrix. Numerical results are presented for a reinforced concrete beam under given environmental conditions. It is shown that the proposed method of analysis can be used to estimate the statistical variation of displacements and the stress of general deterioration - sensitive concrete structure. The proposed approach can contribute to the efficient prediction of random behaviour of RC structures under deterioration by carbonation of concrete and the corrosion of reiforcement.

PL

Karbonizacja betonu i korozja zbrojenia żelbetu sa istotnymi faktami wpływającymi na jego żywotność. W pracy zaproponowane zostało podejście do modelowania tych zjawisk z wykorzystaniem podporządkowanych elementów skończonych. Przy czym uwzględnia się statystyczne wariacje karbonizacji betonu i korozji zbrojenia. Konstytutywny model degradacji oparty jest na zmianie strukturalnej sztywności i zastosowany został do zbudowania modelu przydatnego do zastosowania podporządkowanej analizy strukturalnej. W ten sposób konstytutywny model degradacji realizowany jest stochastyczną metodą elementów skończonych, przy wykorzystaniu dwuwymiarowych płaskich, sprężyście odkształcalnych, izoparametrycznych elementów czworokątnych. Symulacja typu Monte Carlo przypadkowych pól jest połączona z ekstrapolacją Neumana odwróconej globalnej macierzy sztywności. Wyniki obliczeń numerycznych przedstawione są dla zbrojenia betonu przy zadanych warunkach zewnętrznych. Wykazano, że zaproponowana metoda może być wykorzystana do oceny statystycznej wariacji przemieszczeń i naprężeń degradującej struktury betonowej. Proponowane podejście może być również zastosowane do efektywnego prognozowania przypadkowego zachowania się żelbetu na skutek pogorszenia się właściwości betonu w efekcie karbonizacji i korozji zbrojenia.

Słowa kluczowe

EN

corrosion of reinforcement; carbonation on concrete; deterioration of concrete structure; stochastic finite element method; Monte Carlo simulation; concrete; reinforcement

PL

korozja zbrojenia; karbonizacja betonu; degradacja betonu; beton; zbrojenie; metoda elementów skończonych; symulacja Monte Carlo

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Budownictwo / Politechnika Opolska
• Rocznik: 1998
• Tom: z. 42
• Strony: 27--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kerźner Z.

• Institute of Structural Mechanics, School of Civil Engineering, Technical University of Brno, Czech Republik

autor

Novák D.

autor

Rusina R.

autor

Teplý B.

Bibliografia

• [l] BRENNER C.E. 1991.: Stochastic finite element methods (literature review). University oflnnsbruck: Working report No. 35-91.
• [2] GONZALEZ J.A., ANDRADE C., ALONSO C. & FELIU S.: 1995. Comparison of rates of general corrosion and maximum pitting penetration on concrete embedded steel reinforcement. Cement and Concrete Research 25: 257-264.
• [3] KERŚNER Z., TEPLY B. & NOVAK D.: 1996. Uncertainty in sendee life prediction based on carbonation of concrete. In Ch. Sjostrom (ed). Durability of Building Materials and Components: 13-20. London: E&FN SPON.
• [4] Novak D., Kerśner Z. & Teply B.: 1996. Prediction of structure deterioration based on the Bayesian updating. In Wittck & Kratzig (eds). Natural Draught Cooling Towers: 417-421. Rotterdam: Balkema.
• [5] PAPADAKIS V.G., FARDIS M.N. & VAYENAS G.G.: 1992. Effect of composition, environmental factors and cement-lime mortar coating on concrete carbonation. Mater. Struct. 25: 293-304.
• [6] TSUBAKI T.: 1986. Creep analysis of concrete structures by the stochastic finite clement method. In Proc. of 4th RILEM Int. Symposium - Creep and Shrinkage of Concrete: 685-693. Evanston, Illinois, USA.
• [7] YAMAZAKI F., SHINOZUKA M. & DASGUPTA G.: 1988. Neumann expansion for stochastic finite element analysis. J. Dngrg. Mech. 114: 1335-1354.