Numerical bond modelling of reinforcement bars and concrete

Abstract

Reinforced concrete is the most widely used building material in the world. Combining materials with fundamentally different mechanical properties creates a composite that benefits from both strengths. The surface interaction, or bonding, between these materials is crucial for the overall performance of reinforced concrete structures, affecting both safety and serviceability. In engineering calculations, the ideal bond between concrete and reinforcing bars is often assumed, meaning that under load, their deformations and displacements are equal, thus resulting in zero slip value. This simplification works well for assessing the bearing capacity of structures (when reinforcement pull-out failure mode from the concrete is considered). However, it poorly predicts crack widths and distances between cracks in serviceability limit states, leading to significant errors in calculating deflections and deformations. One approach to modelling the cracking and deformation of structures is the stress transfer mechanism. This mechanism considers the local interaction between reinforcement and concrete, where forces are transmitted through mechanical resistance, internal friction, and initial adhesion due to the concrete matrix bonding to the reinforcement’s rough surface. While the stress transfer mechanism can model creep, concrete failure, and crack distances, it suffers from uncertainties in the bond-slip law. No universal bond stress-slip law currently exists, and existing laws have narrow application limits, leading to large errors in calculating crack distances and widths. This work examines the stress transfer mechanism numerically, at the microscopic level, to better understand the interaction between concrete and reinforcement. An accurate numerical model, calibrated by double pull-out tests, allows the study of concrete deformation at various levels, propagation of secondary cracks from the tips of reinforcement ribs, and displacement between reinforcement and concrete (or simply slip) along structural elements. This model enables the study of the bond stress–displacement law through virtual experiments. With this new numerical model, it is possible to analyse concrete behaviour under various load levels (serviceability and ultimate limit states), study cracking and deformations in structures, and derive simplified interaction laws between concrete and reinforcing bars for practical engineering calculations.

Gelžbetonis yra plačiausiai naudojama statybinė medžiaga pasaulyje. Sujungus dvi iš esmės skirtingas mechanines savybes turinčias medžiagas, gaunamas kompozitas, turintis abiejų medžiagų privalumų. Šių medžiagų paviršinė sąveika (arba sukibimas) turi didelę reikšmę bendram darbui ir lemia gelžbetoninių konstrukcijų elgseną tiek saugos, tiek tinkamumo ribiniame būvyje. Atliekant inžinerinius skaičiavimus, priimta taikyti idealų sukibimą tarp betono ir armatūros strypų – veikiant apkrovoms medžiagų deformacijos ir poslinkiai bus lygūs, vadinasi, slinktis bus nulinė. Toks supaprastinimas puikiai tinka vertinant konstrukcijų laikomąją galią (kai suirimo pobūdis yra armatūros ištraukimas iš betono), tačiau nėra tinkamas prognozuoti plyšio pločius bei atstumus tarp plyšių tinkamumo ribiniame būvyje. Tai lemia, kad skaičiuojant konstrukcinių elementų įlinkius ir deformacijas gaunamos didžiulės paklaidos. Vienas iš būdų modeliuoti konstrukcijų pleišėjimą ir deformacijas yra įtempių perdavimo mechanizmas. Jis remiasi vietine armatūros ir betono sąveika, kai jėgos betonui yra perduodamos kompleksiškai per mechaninį armatūros rumbelio įsispyrimą, vidinę trintį tarp skirtingų medžiagų bei pradinę adheziją dėl betono matricos susiklijavimo su šiurkščiu armatūros paviršiumi. Nors įtempių perdavimo mechanizmas leidžia sumodeliuoti slinktį, betono pažaidą, atstumus tarp plyšių, tačiau pagrindinis šio algoritmo trūkumas yra neapibrėžtumas sukibimo ir slinkties dėsnyje. Iki šiol nėra sukurta universalaus sukibimo įtempių ir slinkties dėsnio, kuris gerai aprašytų medžiagų sąveiką. Esami sąveikos dėsniai turi siauras taikymo ribas ir rezultatai skaičiuojant atstumus tarp plyšių bei plyšio pločius gaunami su didžiulėmis paklaidomis. Šiame darbe skaitiškai nagrinėjamas įtempių perdavimo mechanizmas mikroskopiniu lygmeniu, leidžiantis pažvelgti į betono ir armatūros sąveiką iš arti. Tikslus skaitinis modelis, sukalibruotas pagal dvigubo ištraukimo bandymus, leidžia tyrinėti betono deformaciją įvairiuose lygmenyse, vietinį betono pleišėjimą, prasidedantį nuo rumbelių, tirti slinktį tarp armatūros ir betono išilgai konstrukcinio elemento. Skaitinis modelis įgalina nagrinėti sukibimo įtempių ir slinkties dėsnį vien iš skaitinių eksperimentų. Pasitelkus naująjį skaitinį modelį, galima tirti betono elgseną įvairiuose apkrovos lygmenyse (tiek tinkamumo, tiek saugos ribiniuose būviuose). Naujasis skaitinis modelis leidžia tirti konstrukcijų pleišėjimą ir deformacijas, taip pat išvesti supaprastintus betono ir armatūros strypų sąveikos dėsnius inžinerinio skaičiavimo praktikai atlikti.