Diskrétně prvkový mezoúrovňový model pro beton a jeho kombinaces MKP

Abstract

Dizertační práce se zabývá různými aspekty metody diskrétních prvků (DEM) a její aplikací pro modelování porušování betonu a také kombinací DEM s metodou konečných prvků (FEM). Základní vlastnosti náhodných hustých částicových shluků jsou analyzovány pro různý počet částic. Pružné vlastnosti takovýchto shluků jsou zkoumány analyticky i numericky. Je dosaženo velmi dobré shody mezi analytickými a numerickými výcledky. Je představeno vyhodnocení tenzoru napětí a couple stress tenzoru z nespojitých sil. Metoda je založena na principu virtuálních prací. Jsou představeny nové výrazy pro couple stress tenzor. Je popsáno několik různých přístupů kombinace FEM programu OOFEM a DEM programu YADE, každý z nich ilustrovaný na jednoduchém případě. Sériová DEM-FEM kombinace poškozujícího se betonového materiálu je představena na příkladu jednoosého tlaku. Metoda prokázala schopnost poměrně dobře vystihnout přechod z DEM do FEM pro různé módy zatížení. Je představen vývoj a výsledky nového mezoúrovňového modelu pro beton. Model uvažuje nestejnorodou mezoúroveň betonu (t.j. zrna kameniva a zónu rozhraní mezi kamenivem a matricí). Validace vzhledem k experimentálním výsledkům přebraným z literatury prokázala schopnost modelu realisticky vystihnout trendy různých materiálových vlastností (modulu pružnosti, tahové a tlakové pevnosti, lomové energie) vzhledem k mezoúrovňové struktuře materiálu.

The presented thesis deals with various aspects of the discrete element method (DEM) with application to modeling of concrete failure and combination of DEM with the finite element method (FEM). Basic properties of random densely packed particle assemblies are analyzed for various numbers of particles. Elastic properties of such packings are investigated both analytically and numerically. A very good agreement between analytical and numerical results is found. The evaluation of the stress tensor and couple stress tensor from discrete forces based on the principle of virtual work is reviewed. New formulas for the couple stress tensor are presented and discussed. Coupling of FEM code OOFEM and DEM code YADE is described. Several classes of coupling approaches are addressed and illustrated on simple examples. A DEM to FEM sequential coupling of damaged concrete material is presented for the case of uniaxial compression. The method is proven to be able to capture the transition from DEM to FEM relatively well for several different loading scenarios The most divergent results are obtained for the stages of loading where the DEM and FEM material models themselves differ the most. The development and results of a new mesoscale discrete element model for concrete is described. The model takes into account the heterogeneous mesoscale structure of concrete (i.e., aggregates and interfacial transition zone between aggregates and matrix). The validation against experimental data shows the ability of the model to realistically capture trends of various material properties (elastic modulus, tensile and compressive strength, fracture energy) with respect to the actual mesoscale structure of the material.