مصالح و سازه های بتنی

مصالح و سازه های بتنی

مطالعه مقایسه‌ای مدل ترک پخشی و مدل بتن آسیب‌دیده‌ی پلاستیک در تحلیل اجزا محدود غیرخطی سازه‌های بتن مسلح

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
2 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
3 مربی گروه مهندسی عمران، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
چکیده
در تحلیل اجزا محدود سازه‌های بتنی اغلب از دو مدل ترک پخشی و مدل آسیب دیده پلاستیک جهت مدل‌سازی رفتار غیرخطی بتن استفاده می‌شود. هر یک از دو مدل فوق‌الذکر دارای مزایا و معایبی می‌باشند. تاکنون مطالعه جامعی در خصوص بررسی مزایا و معایب این دو مدل رفتاری بتن و مقایسه دقت نتایج این دو مدل انجام ‌نشده است. هدف از این پژوهش یافتن پاسخی برای پرسش‌های مطرح شده‌ی فوق است. برای رسیدن به این هدف، سازه‌های بتن مسلح مختلف شامل یک تیر تحت بار استاتیکی چهار نقطه‌ای، یک ستون تحت نیروی محوری، یک دیوار برشی تحت بار جانبی متمرکز و همچنین یک تیر-ستون تحت همزمان نیروی محوری و بار جانبی متمرکز با استفاده از روش اجزا محدود تحلیل شده‌اند. در نمونه‌های عددی مورد بررسی، رفتار غیرخطی بتن یک‌بار با استفاده از مدل ترک پخشی و بار دیگر با استفاده از مدل آسیب دیده‌ی پلاستیک مدل‌سازی گردید. پس از استخراج نتایج، میزان دقت دو مدل ساختاری بتن از طریق مقایسه با نتایج آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که مدل آسیب‌دیده‌ی پلاستیک در مقایسه با مدل ترک پخشی پاسخ‌های دقیق‌تری می‌دهد. خطای میانگین مدل ترک پخشی و مدل بتن آسیب‌دیده‌ی پلاستیک در برآورد جابجایی لحظه‌ی گسیختگی نمونه‌های عددی تحلیل شده به ترتیب برابر 36% و 14% می‌باشند. مقدار میانگین خطای این دو مدل در برآورد حداکثر ظرفیت باربری نمونه‌های عددی نیز حدود 11% می‌باشند. مدل بتن آسیب دیده‌ی پلاستیک در مقایسه با مدل ترک پخشی از مشکلات همگرایی کمتری برخوردار است و همچنین می‌تواند مودهای خرابی کششی و فشاری نمونه‌های عددی را پیش‌بینی نماید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

A Comparative Study of Smeared Crack and Damaged Plasticity Models for Nonlinear Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Structures

نویسندگان English

Elham Nabizadeh 1
Mojtaba Lezgy-Nazargah 2
Morteza Tayebinia 3
1 M.Sc. Graduate Student, Department of Civil Engineering, Hakim Sabzevari University
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Hakim Sabzevari University
3 Lecturer, Department of Civil Engineering, Hakim Sabzevari University
چکیده English

In finite element analysis of concrete structures, two models of concrete smeared cracking, and concrete damaged plasticity model are often used to simulate the nonlinear behavior of concrete. While both approaches have their respective strengths and limitations, no comprehensive study has yet systematically compared their accuracy and computational performance. The purpose of this study is to find answers to the above questions. To achieve this goal, various reinforced concrete structures, including a beam subjected to a statically applied four-point load, a column under the axial compression, a shear wall experiencing a concentrated lateral load, and a beam-column under combined axial and lateral loading have been analyzed using the 3D finite element method. In the studied numerical samples, the nonlinear behavior of concrete was modeled once using concrete smeared cracking and the next time using the concrete damaged plasticity model. After extracting the results, the accuracy of the two constitutive models of concrete was evaluated through comparison with experiment results. Findings of this study shows that the concrete damaged plasticity model gives more accurate results than the smeared cracking model. The average error of the smeared cracking model and the concrete damaged plasticity model in estimating the ultimate displacement of the examined numerical specimens are 36% and 14%, respectively. The average error of these two models in estimating the maximum bearing capacity of the numerical specimens is approximately 11%. Moreover, concrete damaged plasticity model has less convergence problems, and can also predict the tensile and compressive failure modes of the numerical specimens.

کلیدواژه‌ها English

Constitutive Relations
Reinforced Concrete
Smeared Crack
Damaged Plasticity
Finite Element
[1] Lezgy-Nazargah M, Dezhangah M, and Sepehrinia S. (2018). The effects of different FRP/concrete bond–slip laws on the 3D FE modeling of retrofitted RC beams - A sensitivity analysis. Steel Compos Struct, 26(3):347-360.
[2] Amirkhani S, and Lezgy-Nazargah M. (2022). Nonlinear finite element analysis of RC columns: Evaluation of different modeling approaches for considering stirrup confinement effects. Struct Concr, 23(5):2820-2836.
[3] Edalat Behbahani A, Barros JAO, and Ventura-Gouveia A. (2015). Plastic-damage smeared crack model to simulate the behaviour of structures made by cement based materials. Int J Solids Struct, 73(74):20-40.
[4] Brozovsky JB, Mynarz M, and Sucharda O. (2008). Constitutive Modelling of Concrete in 2D Using Smeared Crack Model. Conference on Engineering Optimization, Rio de Janeiro,1-5.
[5] Lotfi V, and Espandar R. (2004). Seismic analysis of concrete arch dams by combined discrete crack and non-orthogonal smeared crack technique. Eng Struct, 26(1):27-37.
[6] Pirooznia A, and Moradloo AJ. (2020). Investigation of size effect and smeared crack models in ordinary and dam concrete fracture tests. Eng Fract Mech, 226:106863.
[7] Moshirabadi S, and Soltani M. (2019). Implementation of smeared crack approach in rigid block and spring modeling of reinforced concrete. Eng Struct, 201:109779.
[8] Aghajanzadeh SM, and Mirzabozorg H. (2019). Concrete fracture process modeling by combination of extended finite element method and smeared crack approach. Theor Appl Fract Mech, 101:306-319.
[9] Lu X, Ridha M, Tan VBC, and Tay TE. (2019). Adaptive discrete-smeared crack (A-DiSC) model for multi-scale progressive damage in composites. Compos Part A Appl Sci Manuf. 125:105513.
[10] Cook AC, Vel SS, and Johnson SE. (2018). Pervasive cracking of heterogeneous brittle materials using a multi-directional smeared crack band model. Int J Mech Sci. 149:459-474.
[11] Hariri-Ardebili MA, and Seyed-Kolbadi SM. (2015). Seismic cracking and instability of concrete dams: Smeared crack approach. Eng Fail Anal, 52:45-60.
[12] Mostofinejad D, and Talaeitaba SB. (2011). Nonlinear modeling of RC beams subjected to torsion using the smeared crack model. in Procedia Engineering, 14:1447-1454.
[13] Hu Y, Chen G, Cheng W, and Yang Z. (2014). Simulation of hydraulic fracturing in rock mass using a smeared crack model. Comput Struct, 137:72-77.
[14] Edalat-Behbahani A, Barros JAO, and Ventura-Gouveia A. (2017). Three dimensional plastic-damage multidirectional fixed smeared crack approach for modelling concrete structures. Int J Solids Struct, 115(116):104-25.
[15] Grassl P, and Jirásek M. (2006). Damage-plastic model for concrete failure. Int J Solids Struct, 43(22–23):7166-7196.
[16] Ahmed B, Voyiadjis GZ, and Park T. (2020). Damaged plasticity model for concrete using scalar damage variables with a novel stress decomposition. Int J Solids Struct, 191(192):56-75.
[17] Feng DC, Ren XD, and Li J. (2018). Cyclic behavior modeling of reinforced concrete shear walls based on softened damage-plasticity model. Eng Struct, 166:363-375.
[18] Ranjbaran A, Rousta AM. (2009). A step toward happy ending to free vibration analysis of cracked members. Int J of NED (NED university journal of research), 4(2): 113-122.
[19] Qasem M, Hasan M, Muhamad R, Chin CL, Alanazi N. (2025). Generalised calibration and optimization of concrete damage plasticity model for finite element simulation of cracked reinforced concrete structures. Results Eng, 25: 103905.
[20] Saleh M, AlHamaydeh M, Zakaria M. (2023). Finite element analysis of reinforced concrete deep beams with square web openings using damage plasticity model, Eng Struct, 278: 115496.
[21] Žarković D, Jovanović D. (2025) A new constitutive model of concrete developed in the framework of damage and multi-surface plasticity: Theory and verification, Int J Solids Struct, 312: 113281.
[22] Fakeh M, Jawdhari A, Fam A. (2025) Recommended concrete damage plasticity parameters and constitutive models for UHPC in ABAQUS, Eng Struct, 333: 120154.
[23] Chen WF, and Saleeb AF. (1982). Constitutive equations for engineering materials: Elasticity and modeling. John Wiley & Sons.
[24] Lubliner J, Oliver J, Oller S, and Oate E. (1988). A plastic-damage model for concrete. Int J Solids Struct, 25(3):299-326.
[25] Lee J, and Fenves GL. (1998). Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures. J Eng Mech, 124(8):892-900.
[26] Rahimi H, and Hutchinson A. (2001). Concrete beams strengthened with externally bonded FRP plates. J Compos Constr, 5(1):44-56.
[27] Orakcal K, and Wallace JW. (2004). Modelling of slender reinforced concrete walls. 13th World Conf Earthq Eng, 18(1):141-143.
[28] Soliman KZ, Arafa AI, and Elrakib TM. (2013). Review of design codes of concrete encased steel short columns under axial compression. HBRC J, 9(2):134-143.
[29] Barrera AC, Bonet JL, Romero ML, and Miguel PF. (2011). Experimental tests of slender reinforced concrete columns under combined axial load and lateral force. Eng Struct, 33(12): 3676-3689.

  • تاریخ دریافت 10 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 01 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 23 تیر 1404