Micromechanical modelling of FRP-strengthened concrete structures

• Autorzy: Neale, K. , Abdel Baky, H. , Yahiaoui, A. , Ebead, U.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper first focuses on three main simulations. In the first application, 3D nonlinear micromechanics-based finite element analyses are performed to investigate the interfacial behaviour of FRP/concrete joints subjected to direct shear loadings. The finite element modelling of FRP-strengthened concrete beams are presented in the second simulation to capture the debonding loads. Finally, the confining behaviour of FRP-wrapped concrete columns is investigated. An accurate equation correlating the axial stiffness of the FRP laminates and the lateral strain of the concrete columns to the lateral confining pressure is incorporated in the code to predict the behaviour up to failure. Furthermore, this application is reanalysed using 3D FE models. Minor discrepancies are observed between the two predictions. In the second part of the paper, numerical comparisons are presented between the predictions of a phenomenological concrete constitutive law (hypoelastic relations with a smeared crack model) and the micromechanics-based analysis (microplane theory) to simulate the concrete behaviour in the three applications. The FE analyses are carried out using 8-node 3D solid elements for the concrete and 4-node orthotropic shell elements for the FRP laminates. A high performance parallel computing technique that employs supercomputers is used for carrying out the analyses to accommodate the computational demands of running the simulations.

PL

W artykule przedstawiono bazujące na mikromechanice materiałów symulacje MES elementów betonowych wzmocnionych FRP. W artykule skoncentrowano się na trzech głównych symulacjach. W pierwszej, trójwymiarowe, nieliniowe analizy MES bazujące na mikromechanice materiałów wykonano aby zbadać zachowanie się w płaszczyźnie styku połączenia materiału FRP i betonu poddanego obciążeniu ścinającemu. W drugiej symulacji przedstawiono modele MES betonowych belek wzmocnionych FRP w celu uchwycenia obciążenia delaminującego. Na koniec przedstawiono badania zachowania się słupów betonowych owiniętych FRP. Dokładny wzór korelujący osiową sztywność laminatów FRP i poprzeczne odkształcenie betonowych słupów do poprzecznego naporu ograniczającego został wprowadzony do programu aby przewidywać zachowanie aż do zniszczenia. Co więcej, zastosowanie to zostało ponownie przeanalizowane przy użyciu trójwymiarowych modeli MES. Zaobserwowano niewielkie rozbieżności pomiędzy tymi dwoma podejściami. W drugiej części artykułu przedstawiono numeryczne porównania pomiędzy podejściem fenomenologicznym prawa konstytutywnego betonu (hyposprężyste związki z modelem rysy rozmytej) i analizy bazującej na mikromechanice materiałów (teoria mikropłaszczyzn) do symulacji zachowania się betonu w trzech zastosowaniach. Analizy MES zostały przeprowadzone przy użyciu trójwymiarowych, 8-węzłowych elementów bryłowych dla betonu i 4-węzłowych, ortotropowych elementów powłokowych dla laminatów FRP. Wysoka wydajność równolegle z techniką obliczeniową, którą stosują superkomputery zostały wykorzystane do przeprowadzenia analiz dostosowując wymagania obliczeniowe przeprowadzanych symulacji.

Słowa kluczowe

PL

mikropłaszczyzna; belka wzmocniona FRP; polimery zbrojone włóknami (FRP); bezpośrednie ścinanie; słupy betonowe owinięte FRP

EN

microplane; FRP-strengthened beam; fibre reinforced polymers; direct shear; FRP-wrapped columns

• Czasopismo: Architecture Civil Engineering Environment
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 3, no. 1
• Strony: 63-76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz.

Twórcy

autor

Neale, K.

autor

Abdel Baky, H.

autor

Yahiaoui, A.

autor

Ebead, U.

• Universite de Sherbrooke, 2500, boul. de l'Universite, Sherbrooke, Quebec, Canada J1K 2R1,

Bibliografia

• [1] Batdorf S.B., Budiansky B.; A Mathematical Theory of Plasticity Based on The Concept of Slip. Technical Note 1871. National Advisory Committee for Aeronautics, Washington, D.C., 1949; p.24
• [2] Bažant Z.P., Oh, B.H.: Micro plane Model for Progressive Fracture of Concrete and Rock. Journal of Engineering Mechanics. ASCE. 111(4), 1985; p.559-582
• [3] Bažant Z.P., Caner F.C., Carol, I.. Adley. M.D., Akers, S.A.; Microplane Model M4 for Concrete. I: Formulation with Work-Conjugate Deviatoric Stress. Journal of Engineering Mechanics, ASCE. 126(9), 2000; p.944-953
• [4] Bažant Z.P., Tabbara M.R., Kazemi M.T., Pijaudier-Cabot G.; Random Particle Model for Fracture of Aggregate or Fiber Composites. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 116(8), 1990; p.1686-1705
• [5] Schlangen E., Van Mier J.G.M.; Simple Lattice Model for Numerical Simulation of Fracture of Concrete Materials and Structures. Materials and Structures. 25(153). 1992; p.534-542.
• [6] ADINA: .Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis: Finite Element Software, Version 8.4. ADINA R & D, Inc. Watertown, MA, USA. 2004
• [7] Chen W.F.; Plasticity in Concrete. McGraw-Hill Co., USA. 1982; p.492
• [8] Mirmiran A., Zagers K., Yuan, W.; Nonlinear Finite Element Modelling of Concrete Confined by Composites. Finite Elements Analysis and Design, 35(1), 2000; p.79-96
• [9] Deniaud C., Neale K.W.; An Assessment of Constitutive Models for Concrete Columns Confined with Fibre Composite Sheets. Composite Structures, 73(3), 2006; p.318-330
• [10] Kupfer H.B., Gerstle K.H.; Behavior of Concrete under Biaxial Stresses. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 99(EM4), 1973; p.853-866
• [11] Chen W.F.; Extensibility of Concrete and Theorems of Limit Analysis. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 96(EM3), 1970; p.341-352
• [12] Colville J., Abbasi J.; Plane Stress Reinforced Concrete Finite Elements. Journal of Structural Engineering, ASCE, 100(ST5), 1974; p.1067-1083
• [13] Parent S., Labossière P.; Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Columns Confined with Composite Materials. Canadian Journal of Civil Engineering, 27(3), 2000; p.400-411
• [14] Carter F.C, Bažant Z.E; Microplane Model M4 for Concrete, II: Algorithm and Calibration. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 126(9), 2000; p.954-961
• [15] Bažant Z.E, Prat P.C.; Microplane Model for Brittle-Plastic Material. I: Theory. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 114(10), 1998; p.1672-1688
• [16] Bažant Z.P., Xiang Y, Prat P.C.; Microplane Model for Concrete. I: Stress Strain Boundaries and Finite Strain. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 122(3), 1996; p.245-254
• [17] Chajes M.J., Finch W.W., Januszka T.F., Thomson T.A.; Bond and Force Transfer of Composite Material Plates Bonded to Concrete. ACI Structural Journal, 93(2), 1996; p.295-303
• [18] Bizindavyi L., Neale K.W.; Transfer Lengths and Bond Strengths for Composites Bonded to Concrete. Journal of Composites for Construction, 3(4), 2001; p.153-160
• [19] Dai J., Ueda T., Sato Y.; Development of the Nonlinear Bond-Stress Slip Model of Fiber-Reinforced Plastics Sheet-Concrete Interfaces with a Simple Method. Journal of Composites for Construction, 9(1), 2005; p.52-62
• [20] Lu X.Z., Ye L.P., Teng J.G., Jiang J.J.; Meso-Scale Finite Element Model for FRP Sheet/Plates Bonded to Concrete. Engineering Structures, 27, 2005; p.564-575
• [21] Ebead U.A., Neale K.W.; Mechanics of Fibre-Reinforced Polymer - Concrete Interfaces. Canadian Journal of Civil Engineering, 34(3), 2007; p.367-377
• [22] Sato Y., Asano Y., Ueda T.; Fundamental Study on Bond Mechanism of Carbon Fibre Sheet. Concrete Library International, 37, 2000; p.97-115
• [23] Nakaba K., Kanakubo T., Furuta T., Youshizawa H.; Bond Behaviour Between Fibre-Reinforced Polymer Laminates and Concrete. ACI Structural Journal, 98(3), 2001; p.359-367
• [24] Bažant Z., Planas, J.; Fracture and Size Effect in Concrete and Other Quasi-Brittle Materials. CRC Press LLC, USA, 1998; p.616
• [25] Yang Z., Chen J., Proverbs, D.; Finite Element Modelling of Concrete Cover Separation Failure in FRP Plated RC Beams. Construction and Building Materials, 17(1), 2003; p.3-13
• [26] Niu H., Wu Z.; Effects of FRP-Concrete Interface Bond Properties on the Performance of RC Beams Strengthened in Flexure with Externally Bonded FRP Sheets. Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, 18(5), 2006; p.723-731
• [27] Wong R., Vecchio F.; Toward Modelling of Reinforced Concrete Members with Externally Bonded Fibre-Reinforced Polymer Composites. ACI Structural Journal, 100 (1), 2003; p.47-55
• [28] Lu X., Teng J., Ye L., Jiang J.; Intermediate Crack Debonding in FRP-Strengthened RC Beams: FE Analysis and Strength Model. Journal of Composites for Construction, 11(2), 2007, p.161-174
• [29] Kotynia R., Abdel Baky H., Neale K.W., Ebead, U.; Flexural Strengthening of RC Beams with Externally Bonded CFRP Systems: Test Results and 3-D Nonlinear Finite Element Analysis. Journal of Composites for Construction, ASCE, 12, 2008; p.190-201
• [30] Toutanji H.; Stress-Strain Characteristics of Concrete Columns Externally Confined with Advanced Fibre Composite Sheets. ACI Materials Journal, 96(3), 1999; p.397-404
• [31] Spoelstra M., Monti G.; FRP-Confined Concrete Model. Journal of Composites for Construction, ASCE, 3(3), 1999, p.143-150
• [32] Malver J., Morrill K., Crawford J.; Numerical Modelling of Concrete Confined by Fiber-Reinforced Composites. Journal of Composites for Construction, ASCE, 8(4), 2004; p.315-322
• [33] Gobet T., Vu X.H., Malecot Y., Daudeville L.; A New Experimental Technique for the Analysis of Concrete Under High Triaxial Loading. Journal of Physics IV, France, 134,1999; p.633-640
• [34] Ghazi M., Attard M.M., Foster S.J.; Modelling Triaxial Compression Using the Microplane Formulation for Low Confinement. Computers and Structures, 80, 2002; p.919-937
• [35] Němeček J., Padevět, F., Bittnar B.; Effect of Transversal Reinforcement in Normal and High Strength Concrete Columns. Materials and Structures, 38, 2005; p.665-671
• [36] Di Luzio G.D.; A Symmetrie Over-Nonlocal Microplane Model M4 for Fracture in Concrete. Journal of Solids and Structures, 44, 2007, p.4418-4441
• [37] Abdel Baky H., Ebead U., Neale K.W.; Flexural and Interracial Behaviour of FRP-Strengthened Reinforced Concrete Beams. Journal of Composites for Construction, ASCE, 11(6), 2007; p.629-639