The modeling efficiency of concrete meso-models close to real concrete is one of the important issues that limit the accuracy of mechanical simulation. In order to improve the modeling efficiency and the closeness of the numerical aggregate shape to the real aggregate, this paper proposes a method for generating a two-dimensional concrete meso-model based on pixel matrix and skeleton theory. First, initial concrete model (a container for placing aggregate) is generated using pixel matrix. Then, the skeleton curve of the residual space that is the model after excluding the existing aggregate is obtained using a thinning algorithm. Finally, the final model is obtained by placing the aggregate according to the curve branching points. Compared with the traditional Monte Carlo placement method, the proposed method greatly reduces the number of overlaps between aggregates by up to 95%, and the placement efficiency does not significantly decrease with increasing aggregate content. The model developed is close to the actual concrete experiments in terms of aggregate gradation, aspect ratio, asymmetry, concavity and convexity, and old-new mortar ratio, cracking form, and stress-strain curve. In addition, the cracking loss process of concrete under uniaxial compression was explained at the mesoscale.
Existing meso-scale models of concrete need to refine the mesh grids of aggregate and cement mortar, which may greatly reduce the computational efficiency. To overcome this problem, a novel meso-scale modeling strategy, which is based on rigid body spring method and Voronoi diagram, is proposed in this study to establish the meso-scale model of concrete. Firstly, establish numerical aggregate models according to user-defined programs. Circle aggregates are adopted due to their high efficiency in generation and packing process, and the grading of aggregate are determined according to the distribution curve proposed by Full and Thompson; Secondly, extract the centroids of aggregates, and then develop the Voronoi diagram in which aggregate centroids are defined as initial scatters; Finally, establish the rigid body spring model for concrete based on the Voronoi diagram. Aggregates are represented by rigid blocks, and assumed to be unbreakable. Cement mortar is concentrated into the interface between adjacent blocks and represented by two uniform springs. The number of grids is consistent with that of aggregates in specimens, and no mesh-refinement of aggregates and cement mortar is required. The accuracy and efficiency of the proposed modeling strategy are firstly identified by comparing the numerical results with the experimental ones, and then the applicability of the proposed strategy with different volume percentage occupied by aggregates is investigated.
This paper has presented an effective and accurate meso-scale finite element model for simulating the fracture process of concrete under compression-shear loading. In the proposed model, concrete is parted into four important phases: aggregates, cement matrix, interfacial transition zone (ITZ), and the initial defects. Aggregate particles were modelled as randomly distributed polygons with a varying size according to the sieve curve developed by Fuller and Thompson. With regard to initial defects, only voids are considered. Cohesive elements with zero thickness are inserted into the initial mesh of cement matrix and along the interface between aggregate and cement matrix to simulate the cracking process of concrete. The constitutive model provided by ABAQUS is modified based on Wang's experiment and used to describe the failure behaviour of cohesive elements. User defined programs for aggregate delivery, cohesive element insertion and modified facture constitutive model are developed based on Python language, and embedded into the commercial FEM package ABAQUS. The effectiveness and accuracy of the proposed model are firstly identified by comparing the numerical results with the experimental ones, and then it is used to investigate the effect of meso-structure on the macro behavior of concrete. The shear strength of concrete under different pressures is also involved in this study, which could provide a reference for the macroscopic simulation of concrete component under shear force.
The composition of most engineering materials is heterogeneous at some degree. It is simply a question of scale at which the level of heterogeneity becomes apparent. In the case of cementitious granular materials such as concrete the heterogeneity appears at the mesoscale where it is comprised of aggregate particles, a hardened cement paste and voids. Since it is difficult to consider each separate particle in the topological description explicitly, numerical models of the meso-structure are normally confined to two-phase matrix particle composites in which only the larger inclusions are accounted for. 2-D and 3-D concrete blocks(Representative Volume Element, RVE) are used to simulating heterogeneous concrete meso-structures in the form of aggregates in the hardened mortar with nearly zero-thickness linear or planar interfaces. The numerical sensitivity of these meso-structures are Investigated with respect to the different morphologies of heterogeneity and the different level of coupling constant among fracture mode I, II and III. In addition, a numerically homogenized concrete block in 3-D using Hashin-Shtrikman variational bounds provides an evidence of the effective cracking paths which are quite different with those of heterogenous concrete block. However, their average force-displacement relationship show a pretty close match each other.
This paper mainly discusses the influence of the aggregate properties including grading, shape, content and distribution on the chloride diffusion coefficient, as well as the initiation time of steel corrosion from a probabilistic point of view. Towards this goal, a simulation method of random aggregate structure (RAS) based on elliptical particles and a procedure of finite element analysis (FEA) at meso-scale are firstly developed to perform the analysis. Next, the chloride diffusion coefficient ratio between concrete and cement paste $D_{app}/D_{cp}$ is chosen as the index to represent the effect of aggregates on the chloride diffusion process. Identification of the random distribution of this index demonstrates that it can be viewed as actually having a normal distribution. After that, the effect of aggregates on $D_{app}/D_{cp}$ is comprehensively studied, showing that the appropriate properties of aggregates should be decided by both of the average and the deviation of $D_{app}/D_{cp}$. Finally, a case study is conducted to demonstrate the application of this mesoscopic method in predicting the initiation time of steel corrosion in reinforced concrete (RC) structures. The mesoscopic probabilistic method developed in this paper can not only provide more reliable evidences on the proper grading and shape of aggregates, but also play an important role in the probability-based design method.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.411-414
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2007
The confinement-shear lattice(CSL) model for hardened concretes developed by Cusatis is extended for early age concretes. The uniaxial behaviors available in the literature for 3 to 28 days were simulated by the CSL model to identify the change of the model parameters for various ages. The change with respect to the age was interpolated based on the chemomechanics to develop the extended version of CSL model.
Cooling by the flow of water through an embedded cooling pipe has become a common and effective artificial thermal control measure for massive concrete structures. However, an extreme thermal gradient induces significant thermal stress, resulting in thermal cracking. Using a mesoscopic finite-element (FE) mesh, three-phase composites of concrete namely aggregate, mortar matrix and interfacial transition zone (ITZ) are modeled. An equivalent probabilistic model is presented for failure study of concrete by assuming that the material properties conform to the Weibull distribution law. Meanwhile, the correlation coefficient introduced by the statistical method is incorporated into the Weibull distribution formula. Subsequently, a series of numerical analyses are used for investigating the influence of the correlation coefficient on tensile strength and the failure process of concrete based on the equivalent probabilistic model. Finally, as an engineering application, damage and failure behavior of concrete cracks induced by a water-cooling pipe are analyzed in-depth by the presented model. Results show that the random distribution of concrete mechanical parameters and the temperature gradient near water-cooling pipe have a significant influence on the pattern and failure progress of temperature-induced micro-cracking in concrete.
In this paper, the three dimensional Parallel Realistic Failure Process Analysis ($RFPA^{3D}$-Parallel) code based on micromechanical model is employed to investigate the bonding behavior in FRP sheet bonded to concrete in single shear test. In the model, the heterogeneity of brittle disordered material at a meso-scale was taken into consideration in order to realistically demonstrate the mechanical characteristics of FRP-to-concrete. Modified Mohr-coulomb strength criterion with tension cut-off, where a stressed element can damage in shear or in tension, was adopted and a stiffness degradation approach was used to simulate the initiation, propagation and growth of microcracks in the model. In addition, a Master-Slave parallel operation control technique was adopted to implement the parallel computation of a large numerical model. Parallel computational results of debonding of FRP-concrete visually reproduce the spatial and temporal debonding failure progression of microcracks in FRP sheet bonded to concrete, which agrees well with the existing testing results in laboratory. The numerical approach in this study provides a useful tool for enhancing our understanding of cracking and debonding failure process and mechanism of FRP-concrete and our ability to predict mechanical performance and reliability of these FRP sheet bonded to concrete structures.
Our ability to predict hydration behavior is becoming increasingly relevant to the concrete community as modelers begin to link material performance to the dynamics of material properties and chemistry. At early ages, the properties of concrete are changing rapidly due to chemical transformations that affect mechanical, thermal and transport responses of the composite. At later ages, the resulting, nano-, micro-, meso- and macroscopic structure generated by hydration will control the life-cycle performance of the material in the field. Ultimately, creep, shrinkage, chemical and physical durability, and all manner of mechanical response are linked to hydration. As a way to enable the modeling community to better understand hydration, a review of hydration models is presented offering insights into their mathematical origins and relationships one-to-the-other. The quest for a universal model begins in the 1920's and continues to the present, and is marked by a number of critical milestones. Unfortunately, the origins and physical interpretation of many of the most commonly used models have been lost in their overuse and the trail of citations that vaguely lead to the original manuscripts. To help restore some organization, models were sorted into four categories based primarily on their mathematical and theoretical basis: (1) mass continuity-based, (2) nucleation-based, (3) particle ensembles, and (4) complex multi-physical and simulation environments. This review provides a concise catalogue of models and in most cases enough detail to derive their mathematical form. Furthermore, classes of models are unified by linking them to their theoretical origins, thereby making their derivations and physical interpretations more transparent. Models are also used to fit experimental data so that their characteristics and ability to predict hydration calorimetry curves can be compared. A sort of evolutionary tree showing the progression of models is given along with some insights into the nature of future work yet needed to develop the next generation of cement hydration models.
This work deals with unilateral effect of quasi-brittle materials, such as concrete. For this propose, a two-dimensional meso-scale model is presented. The material is considered as a three-phase material consisting of interface zone, matrix and inclusions - each constituent modeled by an appropriate constitutive model. The Representative Volume Element (RVE) consists of inclusions idealized as circular shapes randomly placed into the specimen. The interface zone is modeled by means of cohesive contact finite elements developed here in order to capture the effects of phase debonding and interface crack closure/opening. As an initial approximation, the inclusion is modeled as linear elastic as well as the matrix. Our main goal here is to show a computational homogenization-based approach as an alternative to complex macroscopic constitutive models for the mechanical behavior of the quasi-brittle materials using a finite element procedure within a purely kinematical multi-scale framework. A set of numerical examples, involving the microcracking processes, is provided. It illustrates the performance of the proposed model. In summary, the proposed homogenization-based model is found to be a suitable tool for the identification of macroscopic mechanical behavior of quasi-brittle materials dealing with unilateral effect.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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