Analysis of reinforced concrete with FEM/ru

Руководство
Тема
Reinforced concrete with FEM
Уровень
Intermediate
Время для завершения
60 минут
Авторы
HarryvL
FreeCAD версия
0.19.xxxxx и выше
Примеры файлов
Смотрите также
None

Background

Верстак FEM Workbench позволяет оценить уровень армирования, необходимый для бетонной конструкции, чтобы предотвратить хрупкое разрушение при растяжении или сдвиге.

Это делается с помощью метода, описанного в "Расчет армирования для монолитного бетона", P.C.J. Hoogenboom и A. de Boer, HERON, том 53 (2008), № 4. По сути, это программа постобработки для CalculiX, которая вычисляет основные растягивающие напряжения в бетоне на основе анализа упругости и использует их для определения минимальной арматуры в трех координатных направлениях, необходимой для предотвращения разрушения. При анализе предполагается, что бетонный материал не выдерживает растягивающих нагрузок, в то время как сталь используется с максимальной эффективностью (т.е. достигает предела текучести).

Требуемое армирование выражается в виде коэффициента армирования. Это отношение площади стали к площади бетона. Например, коэффициент армирования, равный 0,01 в направлении x (rx=0,01), означает, что общая площадь поперечного сечения арматурных стержней, проходящих в направлении x, должна составлять 1% от площади поперечного сечения бетона, через который они проходят. Гипотетическое поперечное сечение 1мх1м в этом случае должно содержать 0,01 м2 стали, что может быть достигнуто при использовании 90 арматурных стержней диаметром 12 мм каждый (площадь стали = 90*PI*(0,012)^2/4=0,0102 м^2). Если требуемая степень армирования по всему поперечному сечению бетона одинакова, то стержни можно разместить на равном расстоянии друг от друга в виде сетки размером 9х10 мм с расстоянием от центра к центру примерно 10 см. Это по-прежнему практичное решение, при котором между стержнями остается достаточное пространство для прохождения бетона и обеспечения высококачественного покрытия. Гораздо более высокие значения привели бы к очень плотной арматурной сетке с потенциальными проблемами качества, в то время как гораздо более низкие значения могли бы привести к появлению больших трещин при растяжении в поперечном сечении между стержнями. Типичный диапазон на практике составляет от 0,002 до 0,02 (= от 0,2% до 2%). Дополнительные указания можно найти в конструкторских нормах.

Если требуемый коэффициент усиления неодинаков по всему поперечному сечению, то поперечное сечение может быть разделено на отдельные участки с более или менее равномерным соотношением и к этим сечениям будет применено усиление. Пример будет приведен позже.

Следует отметить, что для создания безопасной и долговечной бетонной конструкции требуется гораздо больше усилий, чем то, что в настоящее время может обеспечить верстак FEM Workbench. Например, метод не рассчитывает ширину трещины (что важно для долговечности и функциональности), точные деформации (результаты МКЭ для бетона являются просто линейно-упругими) или не учитывает требования к креплению арматуры (что приводит к увеличению требуемых коэффициентов армирования в зонах крепления). Он также не предсказывает разрушение бетона (хотя указание на это можно получить, построив график напряжения Мора-Кулона - смотрите далее), что может означать, что бетон разрушается раньше, чем арматура переходит в состояние текучести, что приводит к хрупкому разрушению всей конструкции. Эти и другие ограничения означают, что функциональность FEM concrete может использоваться только для оценки концептуальных проектов, в то время как детальные проектные решения, имеющие решающее значение для безопасности и эксплуатационных характеристик, должны приниматься квалифицированными специалистами.

Геометрия модели, нагрузки и опоры

Хотя процедура бетонирования методом FEM не предъявляет никаких дополнительных требований к геометрии, нагрузкам и опорам, следует иметь в виду, что острые углы и опоры на краях или вершинах могут привести к концентрации напряжений, которые приведут к чрезвычайно высоким и нереалистичным коэффициентам армирования в этих местах или вблизи них.

Параметры материала

FEM Workbench has a special material object for reinforced materials, which combines a matrix material (e.g. concrete) and a reinforcement material (e.g. steel). For the analysis of reinforced concrete with FEM, the following parameters need to be specified, as a minimum:

for concrete:

  • Young’s modulus (used in the CalculiX analysis to calculate elastic deformations and stresses)
  • Poisson ratio (same)
  • uniaxial compressive strength (used during post-processing in FEM to calculate the Mohr-Coulomb stress as an indicator for crushing or shear failure in concrete)
  • friction angle (same)

for steel:

  • yield strength (used during post-processing in FEM to calculate reinforcement ratios)

Please note that three types of analysis are performed:

  1. An elastic analysis using CalculiX (only utilizing the elastic parameters for concrete)
  2. A post-processing step to analyze the required reinforcement (only utilizing the yield strength of steel)
  3. Calculation of the Mohr-Coulomb stress (only using the strength parameters of concrete, i.e. uniaxial compressive strength and friction angle). The Mohr-Coulomb stress can be reviewed in the VTK pipeline.

Application

In the remainder of this article, a few practical cases will be analyzed to discuss the application of the method.

Simply supported beam with uniform load

A 4.0x0.1x0.3m concrete beam is loaded by self-weight and a 100kN (25kN/m) distributed load.

The material parameters are as follows:

for concrete:

  • Young’s modulus = 32 GPa (as per CalculiX default for concrete)
  • Poisson ratio = 0.17 (as per CalculiX default for concrete)
  • uniaxial compressive strength = 30 MPa (concrete type C30/37)
  • friction angle = 30 degrees

for steel:

  • yield strength = 500 MPa

The specific weight of the concrete is taken as 24kN/m^3

The required reinforcement in the x direction is very high (5.4%) and exceeds the typical maximum percentages allowed by code to prevent brittle failure. The high shear stresses at the supports also lead to a requirement of high reinforcement:

The Mohr-Coulomb plot shows that the beam is indeed prone to crushing on the compression side (Mohr-Coulomb stress > 0.0), as would be expected with a very high reinforcement percentage:

Both the reinforcement ratio and Mohr-Coulomb stress indicate that we have an issue and that we need to rethink our conceptual design. Potential solutions are to increase the beam dimensions or use pre-stressed concrete. Further details can be found in the following post:

https://forum.freecad.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=10#p235003

Beam with mid-span support

A 8.0x0.2x0.4m concrete beam is loaded by self-weight and a 160kN (20kN/m) distributed load.

The material parameters are as follows:

for concrete:

  • Young’s modulus = 32 GPa (as per CalculiX default for concrete)
  • Poisson ratio = 0.17 (as per CalculiX default for concrete)
  • uniaxial compressive strength = 25 MPa (concrete type B25)
  • friction angle = 30 degrees

for steel:

  • yield strength = 286 MPa (reduced from 500 MPa to account for a safety factor of 1.75)

The specific weight of the concrete is taken as 24 kN/m^3

The ParaView plot of the exported VTK file shows that the reinforcement requirement is largest at the top of the beam near the central support. Here the highest bending moment occurs. The maximum reinforcement ratio of 0.02 is at the high end of the practical range quoted earlier:

The required area of steel at the central support can be obtained with a ParaView integration filter applied to the mid-section of the beam:

The panel at the bottom of this picture shows that the total required steel area at this cross section is 389.6 mm^2. As one reinforcement bar of diameter 12mm has a cross-sectional area of 113mm^2, it means that 4 bars would be required, giving a cross-sectional area of 452 mm^2. These would need to be placed near the top of the beam while maintaining sufficient concrete cover. The theoretical center of gravity for the reinforcement can be found by integration:

CoG_y = Integrate (rx * y dy dz) / Integrate (rx dy dz)

CoG_z = Integrate (rx * z dy dz) / Integrate (rx dy dz)

These integrals can also be determined with ParaView and give for the present case (see bottom panels in the above picture):

CoG_y = 38961 / 389.6 = 100.0 mm

CoG_z = 134917 / 389.6 = 346.3 mm

which is, as expected, center-width and near the top.

The reinforcement requirement found above agrees well with that obtained using traditional methods:

https://forum.freecad.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=20#p235063

Finally, a Mohr-Coulomb stress check should be performed to check the potential crushing of the concrete. For this check, the characteristic compressive strength of concrete (25MPa) should be divided by an appropriate material factor (>1.0).

Shear wall with uniform load

A 4.0x2.0x0.15m wall is supported by two 0.5m wide columns. The wall is loaded by self-weight and a 1.0MN distributed load at the top.

The material parameters are as follows:

for concrete:

  • Young’s modulus = 32 GPa (as per CalculiX default for concrete)
  • Poisson ratio = 0.17 (as per CalculiX default for concrete)
  • uniaxial compressive strength = 20 MPa
  • friction angle = 30 degrees

for steel:

  • yield strength = 286 MPa

The specific weight of the concrete is taken as 24 kN/m^3

The horizontal reinforcement ratio peaks at 0.014 (1.4%) near the bottom center section of the wall and the vertical reinforcement ratio is at a maximum 0.008 (0.8%) near the corners of the wall with the columns, where the shear stresses are highest:

The above picture shows possible zones of constant reinforcement ratio for the design of reinforcement. Although a minimum reinforcement percentage of 0.2% is chosen, it will be hard to achieve such a low value in practice, given that the spacing should not exceed a practical limit (say 300mm). Even with a light reinforcement grid of 10mm bars (cross-sectional area = 78mm^2), the reinforcement ratio would then be 2 * 78 / (150 * 300) = 0.0035 (0.35%). (Note: factor 2 stems from the fact that the grid will be placed at both faces of the wall). If we add one more bar to the grid (halving the distance) the reinforcement ratio would double to 0.7% and one more would give approximately 1%. So most of the reinforcement requirement could be achieved by starting with a grid of d=10mm at 300x300mm spacing and adding bars in horizontal or vertical direction, as required. This would cover all but the requirement at the bottom of the wall, where we could add 3 bars d=12mm, giving a horizontal reinforcement ratio of 3 * 113mm^2 / (150mm * 150mm) = 0.015 (1.5%). Here it is assumed that the height of the bottom zone is 150mm. Alternatively, we could choose 2 bars of 16mm diameter, achieving the same reinforcement ratio for a zone of 180mm height.

Finally, a review of the Mohr-Coulomb stress shows that no concrete crushing is expected in the wall.

https://forum.freecad.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=10#p234673

Deep beam with opening

The FIB Practitioners' Guide to Finite Element Modelling of Reinforced Concrete Structures contains a design example of a deep concrete beam with an opening. The example is used in that report to demonstrate the "Strut-and-Tie" method. Here the results will be compared to those obtained with the FreeCAD FEM Workbench.

The beam dimensions are 11.0x4.0x0.6m and it is loaded at the top by a distributed load of 120kN/m and a load of 5000kN introduced by a 1m wide column. The factored compressive strength of the concrete is 0.75 x 0.6 x fc = 0.45 * 35 = 15.8MPa and the factored yield strength of the reinforcement steel is 315MPa.

The reinforcement ratios and principal concrete stresses (compression only) derived with FreeCAD are shown below:

The required horizontal reinforcement (below in red) is determined by integration of the horizontal reinforcement ratio over the vertical cuts of interest (below in black). This is done using a Paraview integration filter.

The insert to the above figure shows a comparison of reinforcement requirements (in mm^2 of steel) determined with FreeCAD to those in the FIB report.

The following shows how the integration over lines of interest works in Paraview:

Finally, a plot of compressive and tensile principal stresses to demonstrate how stresses flow through the beam.

The tensile stress pattern suggests an alternative design concept using pre-stressing cables (superimposed in white). This concept is further elaborated in the following post: https://forum.freecad.org/viewtopic.php?f=18&t=33049

Related