بررسی روند گسترش ترک با مقیاس مزو در تیرهای بتنی و استفاده از بهینه سازی توپولوژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

فنی و مهندسی، رازی، کرمانشاه، ایران

10.22060/ceej.2021.18771.6958

چکیده

در این بررسی یک روش جدید برای کاهش حجم محاسبات مدل‌سازی عددی بتن در مقیاس مزو ارائه شده است. برای بررسی رفتار بتن از 2 مقیاس جداگانه ماکرو و مزو استفاده شد. با توجه به اینکه توزیع تنش در مقیاس ماکرو می تواند شاخص مناسبی برای تعیین مناطق بحرانی ترک(شروع و رشد ترک) باشد، بنابراین در مقیاس ماکرو مدل عددی با استفاده از روش اجزای محدود توسعه یافته تحلیل شده و در هر گام با استفاده از ماکروی بهینه سازی مناطق بحرانی مشخص، و سپس مجموع این مناطق در مدل اصلی در مقیاس مزو مدل می‌شوند. در مقیاس مزو 3 بخش، سنگدانه با رفتار خطی، ملات سیمان و ناحیه انتقال با رفتار غیرخطی مدل سازی شده است. سنگدانه‌ها توسط الگوریتم تصادفی و منحنی فولر با شکل دایره‌ی در ملات سیمان توزیع می-شوند. برای گسسته سازی در مقیاس مزو از روش گسسته سازی تکه ای با در نظر گرفتن منطقه چسبنده برای تمامی المان ها استفاده شد، با استفاده از این روش شروع و رشد ترک بخوبی مدل سازی می شود. برای اطمینان از این روش 2 مثال عددی بصورت 2 بعدی بررسی گردید، نتایج تحلیل های عددی تطابق کاملا مناسبی با نتایج آزمایشگاهی داشت و همچنین حجم محاسبات با حفظ دقت بطور متوسط 35درصد کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of crack propagation in the concrete beam in meso-scale by using topology optimization

نویسندگان [English]

  • ali permanoon
  • Amir Hoshang Akhaveissy
Razi University
چکیده [English]

The current research seeks to present a novel method for numerical modeling of concrete behavior at meso-scale. In this method, as the stress distribution at the macro scale can be a suitable indicator for critical areas (crack propagate and growth), the areas under stress (critical areas) are identified through numerical modeling at the macro scale (coarse mesh) and using the extended finite element method and topology optimization. Macro-scale critical regions are considered cumulatively using topology optimization. Therefore, critical regions are modeled at the meso-scale, and the rest are modeled on the macro scale. At the meso-scale, the three phases including aggregate, mortar matrix, and ITZ were considered. The aggregate phase was distributed in the mortar matrix using a random algorithm and a Fuller curve. The accuracy of modeling concrete at the meso-scale using topology optimization was investigated by two examples, the results of which show the appropriate accuracy of the method. Furthermore, the method can reduce the computational cost and analysis time compared to modeling the whole sample at the meso-scale. In this research, the piecewise meshing method was used for numerical modeling. Using this method, traction-separation crack growth and expansion are modeled with appropriate accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • crack growth
  • meso-scale
  • Topology optimization
  • Finite elements method
  • extended finite element method