Contributions to the nonlinear modelling of the mechanical behaviour of concrete and of the reinforced and prestressed concrete structures
Approche non locale d'un modèle élasto-plastique endommagable pour le calcul des structures en béton précontraint
Résumé
The knowledge of the mechanical behaviour of the material and its loading history (at any point of the structure) is necessary to evaluate the tightness of a containment structure and therefore its durability. An elastic plastic non local damage model is developed for modelling the mechanical behaviour of concrete. A regularization technique is introduced on the part responsible of the strain-softening behaviour in order to avoid the numerical problems due to the phenomenon of localisation of damage. The constitutive law and its numerical implementation are detailed. The consistent tangent matrix is derived, where the numerical differentiation technique is applied to integrate plastic constitutive laws and to obtain a quadratic convergence with the Newton-Raphson method at Gauss-point level and in the solution of the boundary value problem. Simulations have shown the capacity of the model to reproduce the classical and complex structural behaviour of concrete. The comparisons with the isotropic damage models illustrate the improvements achieved by introducing the plasticity to the damage formulation: the mode of failure is reproduced correctly (mode I and mixed mode) and the ultimate load is in good agreement with the experimental data. Finally, we present modifications of the classical non local damage model in order to take into account the boundary effects. Our justification is based on micromechanical arguments in which the interactions between microcracks are reduced nearby the free boundary.
La connaissance de l'état mécanique du matériau et de son histoire de chargement (en tout point de la structure) est nécessaire pour évaluer l'étanchéité d'un ouvrage de confinement et par conséquent sa durabilité. Un modèle élastoplastique endommageable non local est développé pour reproduire le comportement mécanique du béton. Une méthode de régularisation est introduite sur la partie responsable de l'adoucissement pour éviter les problèmes numériques dus au phénomène de localisation de l'endommagement. La relation constitutive et son implantation numérique sont détaillées. La matrice tangente cohérente est dérivée, où la technique de la différenciation numérique est appliquée pour intégrer la relation constitutive de la plasticité et obtenir une convergence quadratique de la méthode de Newton-Raphson au niveau du point de Gauss et dans la solution du problème d'équilibre mécanique global. Les simulations effectuées ont montré la capacité du modèle à reproduire les comportements structurels classiques et complexes. Les comparaisons avec des modèles d'endommagement isotropes ont permis de mettre en évidence les améliorations apportées par l'introduction de la plasticité: le mode de rupture est correctement simulé (mode I et mode mixte) et la force ultime est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Finalement, nous présentons des modifications du modèle d'endommagement non local intégral afin de prendre en considération les effets du bord. Notre justification est basée sur des arguments micromécaniques dans lesquels les interactions entre les microfissures sont diminuées proche du bord libre.
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