University of Innsbruck
Mohammad Reza AZADI KAKAVAND

Constitutive and Empirical Models for Predicting the Cyclic Behavior of Concrete Components 2020

 

 

Abstract

This thesis mainly focuses on predicting the behavior of plain concrete (material-level) and reinforced concrete (RC) structures (structural-level) under various cyclic loading scenarios. To this aim, first, the performance of an existing concrete plasticity-damage model is further investigated, which thereafter is extended to a cyclic constitutive model. In the following, empirical models are proposed for predicting the maximum lateral ductility and strength capacities of RC columns, since they play a vital role in transferring/redistributing loads, and then they are validated using available test results in the literature.

In the first part of the present thesis, the application of an existing concrete damage-plasticity model, proposed by Grassl and Jirásek, for predicting the nonlinear monotonic behavior of RC frames is further examined. Subsequently, in the second part of this thesis, the aforementioned model is extended to capture the nonlinear cyclic response of concrete material under multiaxial loading conditions (i.e., uniaxial, biaxial and triaxial). The new model is named as the Enhanced Concrete Damage Plasticity Model (henceforth denoted as ECDPM). Like some of its predecessors, its features include isotropic hardening and softening material behavior, the development of inelastic strain and compressive/tensile stiffness degradation caused by compressive/tensile damage using the combination of the theories of plasticity and continuum damage mechanics. Next, the performance of ECDPM for predicting the cyclic response of concrete is demonstrated using several monotonic and cyclic test results including uniaxial tension/compression, biaxial and triaxial compression tests with low levels of lateral confinement. Furthermore, its accuracy for predicting the uniaxial cyclic tension-compression behavior of concrete is compared to the predictions by other prior cyclic constitutive models proposed by Lee and Fenves, and Grassl et al..

The third and fourth part of the present thesis are devoted to presenting empirical models for predicting the ultimate drift ratio and shear strength capacities of RC columns during earthquakes, respectively. In the following, extensive reliable databases are employed and divided into two groups; training and testing sets in order to develop and validate the empirical models. Furthermore, a new definition for considering the influence of the displacement ductility demand of rectangular and circular columns on their ultimate shear strength is also presented. The Lateral Ductility Models (LDMs) and Shear Strength Models (SSMs) are established by conducting regression analyses on the training sets and on the basis of the type of cross-section (rectangular or circular) and failure modes (flexure, flexure-shear, shear and axial) of columns. The accuracy of the proposed LDMs and SSMs is examined using the testing sets and it is also compared to the predictions by other existing LDMs and SSMs (FEMA 273, 1997; Elwood, 2004; Sezen and Moehle, 2004; Biskinis et al., 2004; Zhu et al., 2007; Pan and Li, 2012; ACI 318, 2014). Besides, the Monte Carlo technique is employed for further evaluating the performance of SSMs and superiority of all proposed models over the exiting models.


Kurzfassung 

Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Vorhersage des Verhaltens von Beton auf der Materialebene und in weiterer Folge von Stahlbetonstrukturen bzw. -bauteilen unter verschiedenen zyklischen Belastungsszenarien. Dazu wird zunächst das Verhalten eines vorhandenen Schädigungs-Plastizitätsmodells für monotone Beanspruchung von Beton weiter untersucht und anschließend zu einem Materialmodell für zyklische Belastung erweitert. Daran anschließend werden empirische Modelle zur Vorhersage der maximalen lateralen Duktilität und der Festigkeiten von Stahlbetonstützen vorgeschlagen, weil diese eine wichtige Rolle bei der Übertragung bzw. Verteilung von Lasten spielen. Diese empirischen Modelle werden anhand von verfügbaren Versuchsergebnissen in der Literatur validiert.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung eines von Grassl and Jirásek vorgeschlagenen Schädigungs-Plastizitätsmodells für Beton zur Prognose des nichtlinearen Verhaltens von Stahlbetonrahmen untersucht. Anschließend wird im zweiten Teil dieser Arbeit das oben genannte Materialmodell erweitert, um das nichtlineare zyklische Verhalten von Beton unter mehrachsiger Belastung zu beschreiben. Das neue Modell wird als Enhanced Concrete Damage Plasticity Model (ECDP Model) bezeichnet. Wie einige seiner Vorgängermodelle basiert es auf der Kopplung von Schädigungs- und Plastizitätstheorie und ist durch isotropes Verfestigungs- und Entfestigungsverhalten, die Erfassung der Entwicklung inelastischer Dehnungen und der Steifigkeitsdegradation sowie durch die Berücksichtigung der Schädigung unter Druck- und Zugspannungen gekennzeichnet. Die Leistungsfähigkeit dieses Materialmodells zur Prognose des zyklischen Verhaltens von Beton wird anhand verschiedener monotoner und zyklischer Versuchsergebnisse (einaxiale Zug- und Druckversuche, biaxiale und triaxiale Druckversuche mit niedrigen Werten der seitlichen Umschnürung) untersucht und mit den Prognosen der zyklischen Materialmodelle von Lee und Fenves sowie von Grassl et al. verglichen.

Der dritte und vierte Teil der vorliegenden Arbeit ist der Entwicklung empirischer Modelle zur Prognose des maximalen Driftverhältnisses bzw. der Scherfestigkeiten von Stahlbetonstützen unter Erdbebeneinwirkung gewidmet. Dazu werden umfangreiche zuverlässige Datenbanken verwendet und in zwei Gruppen unterteilt, nämlich Trainings- und Testsätze, um die empirischen Modelle zu entwickeln und zu validieren. Darüber hinaus wird eine neue Definition zur Berücksichtigung des Einflusses der geforderten Verschiebungsduktilität von Stützen mit rechteckigen und runden Querschnitten auf deren Scherfestigkeit vorgestellt. Die entsprechenden Lateral-Duktilitäts-Modelle (LDMe) und Scherfestigkeits-Modelle (SSMe) werden für rechteckige und runde Stützenquerschnitte durch Regressionsanalysen an den Trainingssets für die verschiedenen Versagensmodi (Axial, Biegung, Schub-Biegung, Schub) der Stützen erstellt. Die Genauigkeit der vorgeschlagenen LDMe und SSMe wird mit Hilfe der Testsätze untersucht und auch mit den Prognosen anderer existierender LDMe und SSMe verglichen (FEMA 273, 1997; Elwood, 2004; Sezen and Moehle, 2004; Biskinis et al., 2004; Zhu et al., 2007; Pan and Li, 2012; ACI 318, 2014). Außerdem wird die Monte-Carlo-Methode zur weiteren Bewertung der SSMe verwendet. Dadurch können deutliche Vorteile gegenüber existierenden Modellen erzielt werden.


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