SUPERVISOR
Mohammad reza Eftekhar
محمدرضا افتخار (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Mohammad sharifi zamani
حامد محمدشریفی زمانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Investigation of aggregate distribution in mechanical behavior of concrete by using finite element method based on representative volume element (RVE) modeling of concrete
Investigation of aggregate distribution in mechanical behavior of concrete by using finite element method based on representative volume element (RVE) modeling of concrete Hamed mohammad sharifi zamani hamed.mohammad@cv.iut.ac.ir October 21,2020 Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc. Language: Farsi Supervisor: Dr. Eftekhar Mohammadreza, eft@cc.iut.ac.ir Due to the construction costs and time consuming laboratory research of concrete, Researchers in the last half century have mostly simulated the finite element of concrete. In this study, by random distribution of coarse aggregates and considering the effect of fine aggregates on the mechanical properties of mortar in different porosity percentages, The effect of porosity on the tensile strength of concrete has been investigated. For this purpose, in solving the finite element of concrete, it is necessary to define the representative volume element (RVE) under periodic boundary conditions (PBC). In addition to the boundary conditions, it is necessary to periodically create the geometry and meshing of the Representative volume element. The reason for this is to establish a relationship between the micromechanical and macromechanical properties of a heterogeneous composite body. In this study, in order to study the steps of the work as accurately as possible, first, the effect of the arrangement of aggregates and the size of the representative volume element on the concrete stiffness matrix has been investigated. This research has been evaluated in two study phases by the finite element method. In the first phase of this research, after accurate simulation of the representative volume element with periodic conditions, the concrete stiffness matrix is obtained. In the first step of the first phase, the results of this phase have been compared with the laboratory and finite element results of valid references. In this verification, first with a fixed volume percentage of 20% aggregate, with five different arrangements of aggregate, the results have been validated by valid researches that in most cases, the error rate is less than 0.3%. in the next step, with five different volumetric percentages of porosity, ie 0.5, 1, 1.5, 2 and 2.5%, with a constant volume percentage of aggregate of 20%, once again the results are compared with valid studies and the amount In most cases, the error was less than 0.3%. Then, at a constant porosity of 2% and a volume percentage of 20, 25, 30, 35 and 40% of coarse aggregate, the stiffness matrix is calculated. In the second phase, to investigate the effect of porosity on the tensile strength of concrete, first the tensile strength of concrete with a porosity percentage of 10, 20 and 30% is compared with the results of various references and existing theories and the error percentage is 1.15% on average. In the next step of this phase, the tensile strength of concrete was investigated and observed in the porosity percentages of 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 and 3% and the constant volume percentage of aggregate 30%, which increased the porosity from 0.5 Up to 3%, tensile strength is reduced by 10%. In the third step of this phase, assuming the porosity of 2% is constant and the volume percentage of aggregate is changed with volumetric percentages of 20, 25, 30, 35 and 40%, the tensile stress-strain curve of concrete was drawn and shown that By increasing the volume percentage of aggregate from 20 to 40% of the tensile strength of concrete at a porosity of 2%, it increases by 14%. The results also showed that concrete failure occurs due to tensile stresses around the aggregates, which is consistent with empirical evidence and the contents of other sources. In general, the innovation of this research is in using the representative volume element to investigate the effect of porosity on the tensile strength of concrete under periodic conditions. Key words : Representative volume element, Finite Element Solving, Concrete, Porosity, Periodic Boundary Conditions, Mechanical Properties, Tensile Strength
با توجه به هزینههای ساخت و زمانبر بودن پژوهشهای آزمایشگاهی بتن، محققان در نیم قرن اخیر بیشتر به شبیه سازی المان محدودی بتن پرداختهاند. در این پژوهش با توزیع تصادفی سنگدانههای درشت و در نظر گرفتن تأثیر ریزدانهها در خواص مکانیکی ملات در درصد تخلخلهای مختلف، به بررسی اثر تخلخل در مقاومت کششی بتن پرداخته شده است. برای این منظور در حل المان محدود بتن احتیاج به تعریف سلول نمایندهی حجم RVE)) در شرایط مرزی پریودیک (PBC) است. علاوه بر شرایط مرزی لازم است که هندسه و مش بندی سلول نمایندهی حجم به صورت پریودیک ایجاد شود. دلیل این کار ایجاد ارتباط بین خواص میکرومکانیک و ماکرومکانیک جسم مرکب ناهمگن است. در این پژوهش برای بررسی هر چه دقیقتر مراحل انجام کار ابتدا به بررسی اثر آرایش سنگدانهها و اندازهی سلول نمایندهی حجم بر ماتریس سختی بتن پرداخته شده است. این پژوهش در دو فاز مطالعاتی توسط روش المان محدود مورد ارزیابی قرارگرفته است. در فاز اول این پژوهش بعد از شبیه سازی دقیق سلول نمایندهی حجم با شرایط پریودیک، ماتریس سختی بتن به دست آمده است. در گام نخست فاز اول، نتایج این فاز با نتایج آزمایشگاهی و المان محدود مراجع معتبر مقایسه شده است. در این راستی آزمایی ابتدا با درصد حجمی ثابت 20 درصد سنگدانه، با پنج آرایش مختلف سنگدانه نتایج با پژوهشهای معتبر صحت سنجی شده است که در بیشترین حالت، درصد خطا کمتر از 3/0 درصد میباشد. در گام بعدی نیز با پنج درصد حجمی متفاوت تخلخل یعنی 5/0، 1، 5/1، 2 و 5/2 درصد، با درصد حجمی ثابت سنگدانهی 20 درصد، بار دیگر نتایج، با پژوهشهای معتبر مقایسه و میزان خطا در بیشترین حالت در این بار نیز کمتر از 3/0 درصد مشاهده گردید. سپس در تخلخل ثابت 2 درصد و درصد حجمی 20، 25، 30، 35 و 40 درصد سنگدانهی درشت، ماتریس سختی محاسبه شده است. در فاز دوم برای بررسی اثر تخلخل در مقاومت کششی بتن، ابتدا مقاومت کششی بتن با درصد تخلخل 10، 20 و 30 درصد با نتایج مراجع مختلف و تئوریهای موجود مقایسه و درصد خطا بهطور میانگین 15/1 درصد حاصل شده است. در گام بعدی این فاز مقاومت کششی بتن را در درصد تخلخلهای 5/0، 1، 5/1، 2، 5/2 و3 درصد و درصد حجمی ثابت سنگدانه 30 درصد بررسی و مشاهده شد که با افزایش تخلخل از 5/0 تا 3 درصد، مقاومت کششی 10 درصد کاهش مییابد. در گام سوم این فاز با فرض ثابت بودن میزان تخلخل 2 درصد و تغییر درصد حجمی سنگدانه با درصدهای حجمی20، 25، 30، 35 و 40 درصد منحنی تنش-کرنش کششی بتن رسم و نشان داده شد که با افزایش درصد حجمی سنگدانه از 20 تا 40 درصد مقاومت کششی بتن در تخلخل 2 درصد، 14 درصد افزایش مییابد. همچنین نتایج نشان داد که شکست بتن در اثر تنشهای کششی از اطراف سنگدانهها حادث میشود که با شواهد تجربی و مندرجات منابع دیگر مطابقت دارد. بهطور کلی نوآوری این پژوهش در استفاده از سلول نمایندهی حجم برای بررسی اثر تخلخل بر مقاومت کششی بتن تحت شرایط پریودیک است. کلمات کلیدی: سلول نمایندهی حجم، حل المان محدود، بتن، تخلخل، شرایط مرزی پریودیک، خواص مکانیکی، مقاومت کششی