Stochastic crack growth simulation in reinforced concrete structures by means of coupled finite element and meshless methods

Most, Thomas GND

The complex failure process of concrete structures can not be described in detail by standard engineering design formulas. The numerical analysis of crack development in concrete is essential for several problems. In the last decades a large number of research groups have dealt with this topic and several models and algorithms were developed. However, most of these methods show some difficulties and are limited to special cases. The goal of this study was to develop an automatic algorithm for the efficient simulation of multiple cracking in plain and reinforced concrete structures of medium size. For this purpose meshless methods were used to describe the growth of crack surfaces. Two meshless interpolation schemes were improved for a simple application. The cracking process of concrete has been modeled using a stable criterion for crack growth in combination with an improved cohesive crack model which can represent the failure process under combined crack opening and crack sliding very well. This crack growth algorithm was extended in order to represent the fluctuations of the concrete properties by enlarging the single-parameter random field concept for multiple correlated material parameters.

Das komplexe Versagensverhalten von Betonstrukturen kann in der Regel nicht mit Standardbemessungsformeln beschrieben werden. Eine detaillierte numerische Analyse der Rissentwicklung in Beton ist für einige Problemstellungen unverzichtbar. In den letzten Jahrzehnten haben sich eine Vielzahl von Forschergruppen mit dieser Thematik aus-einandergesetzt. Dabei wurden verschiedene Modelle und Algorithmen entwickelt. Die meisten dieser Verfahren weisen jedoch verschiedene Probleme auf oder sind nur für Spezialfälle anwendbar. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines automatischen Algorithmus zur effizienten Simulation von mehrfacher Rissentwicklung in Beton- und Stahlbetonstrukturen mittlerer Größe. Dabei wurden netzfreie Verfahren angewendet, um die Änderung der Rissoberflächen abzubilden. Zwei netzfreie Interpolationstypen wurden im Hinblick auf eine unkomplizierte Anwendung angepaßt. Der Versagensprozess des Betons wurde mit Hilfe eines stabilen Risskriteriums in Kombination mit einem erwei-terten kohäsiven Rissmodell abgebildet. Dieses erweiterte Modell kann die Zusammenhänge bei kombinierter Rissöffnung und -gleitung sehr gut wiedergeben. Der entwickelte Algorithmus zur Risssimulation wurde in Hinblick auf eine stochastische Modellierung erweitert. Zu diesem Zweck wurde das Zufallsfeldkonzept für die Abbildung mehrerer untereinander korrelierter Materialparameter ergänzt.

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Most, Thomas: Stochastic crack growth simulation in reinforced concrete structures by means of coupled finite element and meshless methods. 2005.

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