Finite element modeling of the cyclic behavior of concrete : mesoscopic approaches

par Yue Sun

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jean-Baptiste Colliat et de Jianfu Shao.

Soutenue le 13-11-2019

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille, multiphysique multiéchelle (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Modélisation du comportement cyclique des bétons : approches mésoscopiques


  • Résumé

    Nous présentons dans ce travail un modèle basé sur les éléments finis, qui est consacré à la description des mécanismes de ruptures des matériaux quasi fragiles et à l'identification des ingrédients minimum nécessaires pour les comportements à la fatigue. Le matériel sera étudié à méso-échelle, et sera considéré comme un milieu hétérogène. Le modèle est développé dans un cadre de la méthode EFEM (Enhanced Finite Element Method). En tant qu'enrichissements internes, deux types de discontinuités sont effectués. D'une part, les discontinuités fortes visent à illustrer les fissures et les fractures. D'autre part, les discontinuités faibles sont utilisées pour décrire les hétérogénéités. En plus de l'initiation et de la propagation des fissures, la recherche de la refermeture des fissures est également prise en compte. Dans une première étape de validation, le modèle proposé est appliqué pour reproduire les réponses mécaniques de matériaux hétérogènes, en ajoutant le mécanisme de fermeture aux discontinuités fortes du mode-I et du mode-II. Nous montrons la capacité du modèle à simuler certaines des caractéristiques principales de ces matériaux, par exemple, l’émergence du comportement asymétrique de traction/compression, la récupération de rigidité, la déformation plastique, et le phénomène de l'hystérésis. De plus, nous comparons les résultats de simulation aux résultats expérimentaux. Le béton étudié est composé d'une matrice de ciment et de granulats. En appliquant les mêmes formulations et charges, le modèle proposé réussit à reproduire les réponses macroscopiques pour les essais de compression monotone et cyclique. Enfin, le modèle est également testé en comparant avec les données expérimentales dans les charges triaxiales.


  • Résumé

    We present in this work a Finite Element based model, which is devoted to describing failure mechanics of quasi-brittle materials and identifying the minimum necessary ingredients for the fatigue behaviors. The material will be studied at meso-scale, and be considered as heterogeneous media. The model is formulated in a sound framework of the Enhanced Finite Element Method (EFEM). As internal enhancements, two kinds of discontinuities are performed. On the one hand, strong discontinuities aim to illustrate cracks and fractures. On the other hand, weak discontinuities are used to describe heterogeneities. In addition to the initiations and propagations of cracks, the closure of cracks is also taken into account. As a first step of validation, the proposed model is applied to reproduce the mechanical responses of heterogeneous material by adding the closure mechanism to the mode-I and mode-II strong discontinuity. We show the ability of the model to simulate some of the main characteristics of such materials, for instance, the emerged asymmetric traction/compression behavior, the stiffness recovery, the plastic deformation, and the hysteresis phenomenon. Further, we compare the simulation results to experimental ones. The studied concrete material is composed of a matrix of cement and aggregates. By applying the same formulations and loadings, the proposed model succeeds in reproducing the macroscopic responses for monotonic and cyclic compression tests. Finally, the model is also tested by comparing with the experimental data in triaxial loadings.


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