Michael Kohler

Application and Evaluation of a Damage-Plasticity Model for Concrete in Finite Element Simulations of Cyclic Tests on Reinforced Concrete Structures
2022

 

 

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird das dreidimensionale Betonmodell nach Grassl und Jirásek (2006) in Finite-Elemente-Untersuchungen von zyklisch belasteten Strukturen angewandt und dessen Leistungsfähigkeit bewertet. Zwei Versuche werden nach der Verfügbarkeit von experimentellen Daten und dem Tragverhalten des geprüften Bauteils, welches hauptsächlich auf Biegung beruhen soll, ausgewählt.

Als erstes Bauteil wird eine halbmaßstäbliche Wandscheibe aus Stahlbeton, die an der University of Canterbury getestet wurde, betrachtet. Die sogenannte „Holden Wall“ repräsentiert ein duktiles Ortbetonbauteil, welches weltweit in monolithischen Gebäudekernen üblich ist. In einem quasi-statisch zyklischen Belastungsprogramm wurde der Probekörper in 19 Lastzyklen zum vollständigen Versagen gebracht. Die quasi-statischen Bedingungen und die einfache Geometrie sind günstige Voraussetzungen für die erste Anwendung des vorliegenden Modellierungsansatzes. Sowohl monotone als auch zyklische Simulationen werden in der FEM-Software Abaqus/Standard durchgeführt, in der ausführlich getestete Implementierungen des verwendeten Betonmodells und des weitverbreiteten Betonstahlmodells von Menegotto und Pinto (1973) verfügbar sind. Die Simulationsergebnisse werden in globalen Last-Verschiebungs-Kurven bewertet, aus denen auch Energiedissipationskennwerte abgeleitet werden. Visualisierungen der simulierten Schädigung werden ebenfalls vorgestellt und mit experimentellen Rissbildern verglichen. Ein maßstabsgetreuer Brückenpfeiler, welcher auf dem Erdbebensimulationstisch der University of California in San Diego getestet wurde, wird für eine zweite numerische Untersuchung ausgewählt. Das Experiment stellt einen idealisierten Pfeiler einer Brücke dar, welche in Querrichtung einer Bodenbeschleunigung ausgesetzt ist. Der Überbau der Brücke wird dabei durch einen massiven Betonblock und dessen Massenträgheit repräsentiert, wodurch in diesem dynamischen Versuch der Probekörper ausschließlich durch axiale Gewichtskraft und der Tragheitskräfte aus lateraler Bodenbeschleunigung beansprucht wird. Von den zehn auf dem Erdbebensimulationstisch simulierten Erdbeben, können fünf erfolgreich in Abaqus/Standard simuliert werden. In diesen dreidimensionalen implizit dynamischen Berechnungen kommt erneut das bereits erwähnte Betonmodell zur Anwendung und seine Leistungsfähigkeit wird durch einen umfassenden Vergleich mit experimentellen Daten auf globaler und lokaler Ebene bewertet. Die dynamischen Eigenschaften werden durch Modalanalysen vor und nach jeder Erdbebensimulation beleuchtet.

In diesen Untersuchungen werden mehrere Schwachstellen des verwendeten Simulationsansatzes aufgedeckt. Es wird aber auch gezeigt, dass eine effiziente und bezüglich der Rechnerleistung günstige Anwendung der Finite-Elemente-Methode unter Verwendung von Kontinuumselementen möglich ist. Außerdem werden notwendige Verbesserungen zur realistischeren Erfassung des experimentellen Verhaltens in dieser Arbeit aufgezeigt.

 

Abstract

In this thesis the three dimensional constitutive model for reinforced concrete, originally proposed by Grassl and Jirásek (2006), is evaluated by means of finite element analyses of cyclically loaded large scale structures. Two suitable experiments are selected based on the availability of experimental data and on the primary response characteristics, which are sought to be mainly flexural.

The first chosen specimen is a half scale reinforced concrete wall panel tested at the University of Canterbury in New Zealand. The so called "Holden Wall" represents a ductile cast-in-place wall component commonly found in monolithic structural wall systems of building cores all around the world. In a cyclic, yet quasi-static lateral loading scheme, the specimen was brought to full collapse in 19 load cycles. The quasi-static conditions and the simple geometry are favorable features for the first application of the present modeling approach. Monotonic as well es cyclic simulations are conducted in the finite element analysis software Abaqus/Standard, for which well tested implementations of the concrete model but also for the widely used reinforcing steel model by Menegotto and Pinto (1973) are available. The performance of the model is evaluated in global load versus displacement curves from which also energy dissipation characteristics are derived. Visualizations of the simulated concrete damage are presented as well and compared to experimental crack patterns.

A full scale bridge pier, tested on the biggest outdoor shake table in the world at the University of California in San Diego, is chosen for a second numerical investigation. The cantilevered reinforced concrete column represents a single-column bent subjected to base excitation perpendicular to the bridge axis, whereas the bridge's superstructures are idealized through a massive concrete block providing mass inertia. In this dynamic test the specimen is solely exposed to axial weight and base accelerations, thus inertia forces have to be accounted for accurately, which is an additional challenge compared to the previous study. From ten ground motion simulations in the original experiment, five are simulated successfully in Abaqus/Standard. In these three dimensional implicit dynamic analyses, the mentioned concrete model is applied again and its performance is evaluated by means of comprehensive comparison in a global and local fashion. Dynamic characteristics are investigated by modal analyses prior to and after each ground motion simulation.

In these studies, several shortcomings of the used approach are revealed. However, it is also shown that an efficient and computationally affordable application of the finite element method using solid elements is possible and needed improvements to better capture experimental responds are pointed out in this work.

 


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