Modelling Approaches for Nonlinear Finite Element Analysis of Corroded Concrete Structures

Abstract

Denne oppgaven fokuserer på å utvikle en metode for å adressere kapasiteten til store korroderte konstruksjoner. Arbeidet involverer å utvikle en "Tension Chord Model" (TCM) basert på riss-beregninger fra Eurokode 2. En tension chord model er en utradisjonell metode for å inkludere betongens bidrag til strekkstivheten i ikke lineær elementanalyse. Selv om betongen ikke kan overføre strekkrefter over riss, bidrar den på stivheten til konstruksjonen mellom rissene. Det er svært viktig å inkludere denne stivheten, for å forsikre seg om at deformasjonskapasiteten til konstruksjonen ikke blir overestimert.

Strekkstivheten til i betongen er implementert i materialmodellen til stålet i stedet for materialmodellen til betongen. Dette tillater å kunne utføre nøyaktige analyser med et grovt elementnett, noe som er nødvendig for å kunne utføre analyser av store konstruksjoner. Tension chord modellen ble videre modifisert til en "Corroded Tension Chord Model" for å inkludere skaden fra korrosjon. Med en CTCM trengs ikke tverrsnittet i selve modelleringen av armeringen å endres, da reduksjonen implementeres i materialmodellen til stålet.

For å verifisere modellen og etablere retningslinjer for hvordan den kan benyttes i ikke lineær elementanalyse, ble den testet opp mot fysisk testede bjelker med forskjellige bruddmoder. Dette ble utført med elementanalyse programmet Diana 10.6. Kombinasjonen av TCM med den triaksielle Kotsovos betong-materialmodellen utført med vanlig Newton-Raphson metode med "linesearch", viste seg å kunne gi nøyaktige resultat. Den riktige bruddmoden ble funnet, og last forskyvningskurven til bjelkene opp til bruddlast ble godt forutsagt. Løsningsmetoden var derimot noe ustabil, og i overkant sensitiv til randbetingelsene. Dette var spesielt synlig på overmarmerte bjelker med sprøere brudd, der det var betongen som sviktet. Grunnet dette krever løsningsmetoden videre arbeid for å kunne være pålitelig.

Den korroderte modellen ble ikke testet opp mot fysisk testede konstruksjoner med korrosjon. Innledende testing av modellen ble utført på en bjelke med korrosjon og en hypotetisk rammekonstruksjon. Dette for å kontrollere at modellen innehar den grunnleggende oppførselen til korroderte konstruksjoner. Resultatene var lovende, der reduksjon av tverrsnittet resulterte i brudd i armeringen.

This thesis focuses on developing a method for capacity assessment of large corroded concrete structures. The work involves the development of a Tension Chord Model(TCM) based on crack calculations from Eurocode 2. A TCM is a non-traditional way of including the tensile stiffness contribution from concrete when doing nonlinear finite element analysis. Even though the concrete can not carry tensile loads over cracks, the concrete contributes to the stiffness of the structure between cracks. It is important to include the stiffness of the concrete, to make sure the deformation capacity is not over estimated.

The tensile stiffness of the concrete is implemented in the reinforcement material model rather than in the concrete material model. It allows for running accurate analyses with coarse mesh, which is necessary to be able to run analyses on larger structures. The TCM was modified into a Corroded Tension Chord Model(CTCM) to include the damage from corrosion. With a CTCM it is not necessary to model the changed cross-section, but rather implement the reduction in the material model of the reinforcement in the exposed area.

To validate the model and establish guidelines for how it should be used in its application, benchmarking against experimentally tested beams with various failure modes was conducted. This using the finite element analysis software Diana 10.6. The combination of TCM with the triaxial Kotsovos concrete material model, regular Newton-Raphson method, and line-search yielded accurate results. The right failure mode was detected, and a good representation of the load-displacement curve was predicted. However, the solution method was found to be unstable as it was to sensitive to the boundary condition. This was especially noticeable on the over reinforced beams with a brittle failure mode, where the concrete failed. Because of this, the solution method requires further refinement to be reliable.

While no extensive benchmarking of the CTCM was performed, preliminary tests on a beam and a hypothetical frame were conducted. This is to evaluate the basic behaviour of corroded structures and to provide an initial validation of the model. The results were promising, showing the reduced cross-section resulting in rupture in the reinforcement.