Nonlinear damage behaviour of concrete structures

Abstract

Concrete structures are becoming more and more sophisticated and submitted to severe conditions, for example: high stresses and temperatures, cyclic loadings, earthquakes, etc. It is therefore necessary to simulate correctly the behaviour and damage of such structures. However, the behaviour of this material is among the most complex ones: various phenomena are observed experimentally, such as, loss of stiffness, irreversible strains, stiffness recovery and dissymmetric behaviour to mention a few. If all these effects are taken into consideration, it would lead to models that use numerous parameters. In this paper, a framework for damage mechanics of concrete is presented and used to simulate the nonlinear behaviour of concrete using finite element method (FEM). A relatively simple isotropic damage model, containing essentially no adjustable parameters is shown to produce results in remarkably good agreement with experimental results. Indeed, the damage law requires only the fracture energy to be completely defined. A special form of damage surfaces is constructed to illustrate the application of the model. A new damage criterion, defined as an equivalent strain norm, is proposed to take into consideration the dissymmetric behaviour of concrete. To verify the FEM program including the model, the predicted deformations are compared with experimental results and results from other nonlinear constitutive models.Résumé : Les structures en béton deviennent de plus en plus sophistiquées et sont soumises à des conditions sévères : de contraintes et de températures élevées, de chargements cycliques, séismes, etc. Il est donc nécessaire de simuler correctement le comportement et l'endommagement de telles structures. Cependant, le comportement de ce matériau est parmi les plus complexes; divers phénomènes sont observés lors d'expériences, tels qu'une perte de raideur, des défor-mations permanentes, une restauration de la raideur et un comportement dissymétrique, pour n'en citer que quelquesuns. Le fait de tenir compte de tous ces effets conduit à des modèles utilisant de nombreux paramètres. Le présent article présente le cadre de la mécanique de l'endommagement et son utilisation pour simuler le comportement non linéaire du béton par la méthode des éléments finis. On montre qu'un modèle d'endommagement isotrope, relativement simple ne comportant essentiellement aucun paramètre ajustable, produit des résultats avec une très bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. En, effet la loi de comportement ne nécessite que l'énergie de rupture pour être complètement définie. Une forme particulière de surface d'endommagement est construite pour illustrer l'application du modèle. Un nouveau critère d'endommagement, défini comme une norme de la déformation équivalente, est proposé pour tenir compte du comportement dissymétrique du béton. Pour vérifier le programme des éléments finis, incluant ce modèle, les déformations prévues sont comparées aux résultats expérimentaux et aux résultats provenant d'autres modèles constitutif...

Nonlinear Analysis of RC Structures Using Isotropic Damage Model

“…Zhang et al (2008) investigated damage-induced anisotropy in quasi-brittle materials using component assembling model. Damage model used within the CDM framework is capable of reproducing the softening response of the concrete and promising results had been obtained in the literature (Comi, 2001;Jirasek et al, 2004;Labadi and Hannachi, 2005). Recently, Sageresan et al (2010) integrated the concepts of damage mechanics with meshless method of modeling to evolve an efficient approach for numerical analysis of fracture in concrete.…”

Anisotropic and Unilateral Damage Application to Concrete

“…The present work is an extension of the model proposed to simulate the nonlinear mechanical behaviour of brittle materials, and successfully applied to structural analysis of concrete structures [12].…”