Original title:
Statická a dynamická analýza prostého a vlákny vyztuženého betonu s využitím diskrétního modelu
Translated title:
Static and dynamic analysis of plain and fiber-reinforced concrete using discrete meso-scale model
Authors:
Květoň, Josef ; Vorel,, Jan (referee) ; Šejnoha,, Michal (referee) ; Eliáš, Jan (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2020
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební Abstract:
[eng][cze]
Předkládaná práce se zabývá matematickým modelováním chování betonu. K numerické analýze je použit diskrétní částicový model. Tento model zjednodušuje meso-strukturu materiálu na systém propojených diskrétních částic -- konvexních mnohostěnů. Tyto částice jsou uvažovány ideálně tuhé a jejich vzájemná interakce je předepsána na kontaktech sousedních částic. Při hledání nespojitého pole posunů a rotací jsou zjednodušeně předpokládány malé deformace. Práce popisuje dvě rozšíření implementovaná do stávající verze modelu, konkrétně (i) přidání reprezentace krátké rozptýlené výztuže a (ii) implicitní dynamický řešič. První z hlavních částí práce se zabývá modelováním kompozitů s krátkou rozptýlenou výztuží. Krátká vlákna rozptýlená v materiálu přispívají k zlepšení jinak nepříznivé tahové pevnosti betonu. Vlákna jsou v částicovém modelu reprezentována nepřímo, zohledněním tření mezi vláknem a cementovou matricí silami, které působí proti otevírání trhlin. S pomocí tohoto rozšíření model dokáže předpovídat chování vláknobetonu zahrnující tahové zpevnění i navýšení počtu trhlin. Druhá z hlavních částí se zabývá odezvou materiálu na dynamické zatížení. Beton vykazuje rozdílné chování pro různé rychlosti zatěžování. V případě pomalého, kvazi-statického, zatěžování se počáteční mikro-trhliny lokalizují v makro-trhlinu. Dochází-li k rychlému zatěžování, energie nahromaděná v tělese není spotřebována pouze jednou trhlinou, ale dochází k jejímu větvení. V případě rychlých procesů je hlavním faktorem setrvačnost hmoty, která je zatížením urychlována. Struktura materiálu a setrvačnost částic je v mezo-úrovňovém diskrétním modelu zahrnuta. Přesto ale další jevy probíhající pod rozlišovací úrovní modelu ovlivňují výsledné chování materiálu. Proto je do modelu přidána fenomenologická závislost konstitutivního zákona na rychlosti přetváření. Numerické simulace těles rozličných tvarů zatěžovaných různou rychlostí deformace jsou porovnány s experimenty z literatury.
The presented thesis is devoted to mathematical modeling of concrete fracture. A special type of model called discrete particle model is used. The concrete meso-structure is simplified as a system of interconnected polyhedral particles. The particle interaction is prescribed at their contacts. Solution of discrete displacement field is obtained under the assumption of small deformations and rigid body movement of particles. Two modifications of the static version of the discrete meso-scale model are presented: (i) representation of short fiber reinforcement and (ii) implicit dynamic solver. The first main part of the thesis is devoted to modelling of short fiber reinforcement, which is used to improve poor tensile performance of concrete. This material modification leads to more efficient material use and crack width reduction. Short fibers are represented in the discrete model indirectly, taking into account the frictional forces between fiber and cement matrix. The fiber forces are applied at particle contacts working against the crack opening. This modification is able to capture the strain hardening behavior and the multiple cracking of the fiber reinforced composites. The second main part of the thesis addresses dynamic material behavior. Concrete resistance varies under different strain-rates. For slow, quasi-static loading rates, the initial micro-cracks localize into a macro-crack. For fast loading rates, the energy is not consumed by one crack only, but multiple cracking and crack branching occurs. The inertia typically dominates in fast processes. Even though the meso-scale model accounts for the inertia and the crack branching, the cracking at lower scale is not addressed. Therefore additional phenomenological rate-dependency of the constitutive law is adopted. Numerical simulations on various geometries under various loading rates are performed and compared to experimental evidence from literature.
Keywords:
Beton; Diskrétn model; Dynamika; Krátká rozptýlená výztuž; Mezo úrovňový model; Rychlost zatěžován; Setrvačnost; Trhliny; Concrete Fracture; Discrete modelling; Dynamics; Fiber Reinforcement; Inertia; Meso-scale; Strain-rate
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/188173
guest ::
