Consistent material modelling for nonlinear finite element analysis of corroded concrete infrastructures

Abstract

I denne oppgaven ble konsistente materialmodeller utviklet og testet for bruk i storskala ikkelineær elementanalyse av armert betonginfrastruktur utsatt for armeringskorrosjon. En strekkstavmodell (TCM) for armert betong ble etablert basert på Eurokode 2 og litteraturen for å modellere "tension stiffening" effekten som oppstår når armert betong risser. Strekkstavmodellen ble kombinert med to kompatible materialmodell-rammeverk for betong, "Total strain crack model" og "Kotsovos concrete model". En videreutvikling av TCM ble implementert til å inkludere korrosjon i deler av strekkstaven. Korrosjon var den eneste skadeeffekten som ble vurdert, og ingen langtidsavhengige effekter ble inkludert i modelleringen av betong.

Strekkstav- og betongmodellene ble brukt i referansetester til å analysere anerkjente bjelkeforsøk hentet fra litteraturen. Forsøkene ble valgt på bakgrunn av hvor sikkert de kunne gjenskapes og for variasjon i bruddform. Den ikkelineære elementanalysen ble gjennomført i et kommersielt tilgjengelig elementprogram, DIANA v.10.6, som har et stort utvalg av material modeller for både betong og armeringsstål. Bjelkene ble modellert med et grovt elementnett og resultatene viser at en strekkstavmodell gir god beskrivelse av "tension stiffening" effekten. Kotsovos modellen kombinert med TCM ga et godt estimat av bjelkenes stivhet og bruddform. Total strain med roterende riss ga gode estimat for bjelkenes stivhet og bruddform, med unntak av de skjærdominerte bjelkene, for hvilke en fast riss formulering måtte benyttes for nøyaktige resultater.

For å undersøke effekten av lokal (pitting) korrosjon ble en ramme modellert med korrosjon i ett hjørne, og responsen ble sammenlignet med en uskadet ramme. Kotsovos modellen ble benyttet for å modellere betongen. Korrosjon i ett hjørne resulterte i en omlagring av moment, ved at feltmoment forskyves mot den korroderte enden. Svikt i konstruksjonen oppstod ved brudd i den korroderte delen av strekkarmeringen i søylen, som viste stor tøyningslokalisering. Den ukorroderte rammen sviktet i symmetrisk knusing av betongen i søylenes trykksone nær fast hjørne.

Strekkstavmodellen viste seg å være en enkel og effektiv metode for å estimere "tension stiffening" effekten i storskala elementanalyse. Modellen kan enkelt utvides til å ta høyde for korrosjon og gir forventede resultater, men må valideres med data fra eksperimentelle forsøk. For ikkelineær elementanalyse av armert betonginfrastruktur burde Kotsovos betongmodellen benyttes i kombinasjon med strekkstavmodellen. Modelleringsusikkerheten blir lavest med Kotsovos modellen ettersom den kun behøver én parameter, og den har vist seg å være både fleksibel og robust i å estimere stivhet og bruddform.

In this thesis, consistent material models for nonlinear finite element analysis (NLFEA) of reinforced concrete infrastructure subjected to reinforcement corrosion were developed and tested. A tension chord model (TCM) based on Eurocode 2 and the literature was established to model the tension stiffening effect in cracked reinforced concrete and applied with two consistent concrete material model frameworks, the Total strain- and Kotsovos concrete model. The tension chord model was then extended to account for corrosion occurring in a crack in the tension chord (CTCM). No time-dependent effects for the concrete were considered, and the only damage effect considered was the pitting corrosion of reinforcement.

The tension chord model and the two concrete material frameworks were benchmarked against five well-known experimental beam tests in the literature, chosen for their replicability and different failure modes. The NLFEA was carried out in the commercial FEM program DIANA v.10.6, which offers several concrete- and reinforcement material models. The beams were modelled using a coarse mesh, and the TCM was found to estimate the tension stiffening effect accurately. The Kotsovos concrete model with TCM gave good stiffness estimations and predicted the correct failure mode for all beams. The Total strain with rotating cracks yielded good estimations of stiffness and failure mode for the beam tests where shear was not dominating, for which a fixed crack formulation had to be used to give accurate results.

To study the effects of pitting corrosion, a frame with one corner affected by corrosion was modelled and compared to the undamaged response. The concrete was modelled with the Kotsovos concrete model. With corrosion present, a redistribution of moments was visible by a shift of field moments towards the corroded end. Failure was induced by the localisation of strains in the corroded tensile reinforcement in the column, eventually causing the corroded reinforcement to rupture. The undamaged frame exhibited failure by symmetric compressive failure in the columns.

The TCM was found to be a simple yet effective method for estimating the tension stiffening effect in large-scale analysis. The model is easily extended to account for corrosion and the CTCM behaves as expected but must be validated with experimental data. For large-scale NLFEA of reinforced concrete infrastructure, the Kotsovos concrete model should be used with TCM. The Kotsovos requires the least input, reducing modelling uncertainty, and proved flexible and robust in predicting behaviour and failure mode.