Доклад посвящается основам расчетов железобетонных конструкций в междисциплинарном пакете LS-DYNA. Первая часть представляемых материалов представляет собой обзор моделей материалов, применяемых для моделирования бетона. При этом принимаются во внимание не только модели бетона, работающие для твердотельных конструкций, но и для конструкций, рассчитываемых в рамках оболочечной и балочной теории. Отдельное внимание уделяется технологиям учета армирования железобетонных конструкций. Во второй части доклада будет разобрано решение модельной задачи в среде Workbench LS-DYNA ACT и сравнение с данными экспериментов. Будут рассмотрены особенности создания численных моделей, работа со сборками. Отдельное внимание будет уделено известным ограничениям и проблемам, возникающим при работе с Workbench LS-DYNA ACT.

1. ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Железобетонные конструкции под воздействием
ударных нагрузок в Workbench LS-DYNA ACT
Юрий Новожилов
Yury.Novozhilov@cadfem-cis.ru

2. 2© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Феноменологический характер моделей бетонов
• Модели опираются на разлитые комбинации теорий
- Пластическое поведение
- Вязкопластическое поведение
- Теория разрушения
• Модели описывают зависимость напряжений в конструкции от многих
параметров
- Деформаций
- Скоростей деформаций
- Внутренней энергии
- Плотность и объем
- Поврежденность
Моделирования поведения бетона

3. 3© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Y. Chen, I. M. May, Reinforced concrete members under drop-weight impacts
• Плоский ударник массой 98.7 кг
• Диаметр ударника 100 мм
• Скорость в начальный момент 6.5 м/с
• Бетонная плита 760x760x76 мм
• Коэффициент армирования 0.6%
• Класс прочности бетона C60
Низкоскоростной удар по бетонной плите

4. 4© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Пример результатов без учета эрозии материала

5. 5© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Пример результатов с эрозией материала

6. 6© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Модели бетона встроенные в LS-DYNA

7. 7© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Учет поврежденности на растяжение и сжатие раздельно
Встроенный учет влияния скорости деформирования
Возможность учета распределённого армирования
Автоматическая генерация входных параметров
Основные модели материалов для расчета бетона
Карта материала MID EI SR RD TCD
*MAT_PSEUDO_TENSOR 16 + + - -
*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3 72R3 + - + +
*MAT_WINFRITH_CONCRETE_REINFORCEMENT 84 + + + -
*MAT_BRITTLE_DAMAGE 96 - + - -
*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE 111 - - + -
*MAT_SCHWER_MURRAY_CAP_MODEL 145 - - - +
*MAT_CSCM(_CONCRETE) 159 + - + +
*MAT_RHT 272 + - + +
*MAT_CONCRETE_DAMAGE_PLASTIC_MODEL/*MAT_CDPM 273 - - + +

8. 8© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Karagozian & Case (K&C) Concrete Model
• Встроенный учет влияния скорости
деформации
- Нужна кривая описывающая DIF
• Автоматическая генерация параметров
- a0 = -1* f’c
*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3
*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3
$# mid ro pr
73 2400 0.2
$# ft a0 a1 a2 b1 omega a1f
0.0 -50E+6
$# slambda nout edrop rsize ucf lcrate locwidth npts
39.97 1.450E-4 723
$# 4 пустые строки с неиспользуемыми параметрами

9. 9© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Разработка Winfrith Technology Center
• Только для ELFORM = 1
• Визуализация трещин на поверхностях тел
• Встроенный учет армирования
- *MAT_WINFRITH_CONCRETE_REINFORCEMENT
• Встроенный учет влияния скорости деформации
• Автоматическая генерация параметров
*MAT_WINFRITH_CONCRETE
*MAT_WINFRITH_CONCRETE
$# mid ro tm pr ucs uts fe asize
84 2400 34E+9 0.2 50E+6 4.2E+6 1.0 16E-3
$# e ys eh uelong rate conm conl cont
210E+9 600E+6 1400E+9 0.075 0.000 1.0 0.000 0.000
$# 2 пустые строки с неиспользуемыми параметрами

10. 10© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Гладкая шатровая поверхность текучести
(Continues Surface Cap Model)
• Автоматическая генерация параметров для
бетонов С35 – С45
• Учет закрытия трещин
• Встроенный учет влияния скорости
деформации
*MAT_CSCM(_CONCRETE)
*MAT_CSCM_CONCRETE
$# mid ro nplot incre irate erode recov itretrc
159 2400 1 0 1 2.0 0.0 0
$# pred
0.0
$# fpc dagg units
50.0 4

11. 11© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Модель Riedel – Hiermaier – Thoma
• Автоматическая генерация параметров
для бетонов С35 – С140
*MAT_RHT
*MAT_RHT
$# mid ro shear onempa epsf b0 b1 t1
272 2400 -1.0 2.0
$# a n fc fs* ft* q0 b t2
50E+6
$# 3 пустые строки с неиспользуемыми параметрами

12. 12© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Учет поврежденности на растяжение и сжатие раздельно
Встроенный учет влияния скорости деформирования
Возможность учета распределённого армирования
Автоматическая генерация входных параметров
Модели для расчета бетона в балочной и оболочечной постановке
Карта материала Shell Beam MID EI SR RD TCD
*MAT_CONCRETE_EC2 + + 172 + + - +
*MAT_RC_SHEAR_WALL + - 194 + + -? -?
*MAT_RC_BEAM - + 174 - + -? -?
*MAT_CONCRETE_BEAM - + 195 + + + -

13. 13© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Методики задание армирования

14. 14© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Распределенное армирование (smeared)
• Явное армирование (explicit)
- Конформные сетки/общие узлы
- Балочные элементы с изгибной жёсткостью
- Балочные элементы без изгибной жёсткости
- Пространственные (solid) элементы
- Специализированный контактный алгоритм *CONTACT_1D
- Уравнения связи и контактные алгоритмы
- *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID
- *ALE_COUPLING_NODAL_CONSTRAINT
- *CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID
Методики учета армирования конструкций

15. 15© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Реализована в 2013 – 2014 годах для LS-DYNA R8.0
• Карта описывает скольжение узлов арматуры вдоль лини узлов бетона
- nsids – узлы, описывающие арматуру
- nsidm – узлы, задающие направляющую в бетоне
• Модель Прандтля для взаимодействия бетона и арматуры
Моделирование вырывания арматуры из бетона
*CONTACT_1D
$# nsids nsidm err sigc gb smax exp
7 8 1.00E-2 5.00E+7 5.00E+10 0.2 0.000

16. 16© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Реализована в 2003 – 2005 годах
• Автоматически генерируется в Workbench LS-DYNA ACT
• Основные настройки:
- slave – арматура
- master – бетон
Базовые карты для задания явного армирования
*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID
$# slave master sstyp mstyp nquad ctype direc mcoup
2 1 0 0 0 2 0 0
$# 3 пустые строки для неиспользуемых параметров

17. 17© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Реализована в 2012 году для LS-DYNA R6.1
• Основные настройки:
- slave – арматура
- master – бетон
Базовые карты для задания явного армирования
*ALE_COUPLING_NODAL_CONSTRAINT
$# coupid title
1
$# slave master stype mtype ctype mcoup
2 1 0 0 2 0
$# start end frcmin
0.0 1.00E10 0 0 0 0.5

18. 18© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
• Реализована в 2013 – 2014 году для LS-DYNA R7.1
• Возможность моделирования скольжения арматуры в бетоне без трения
• Работает только для гексаэдральных сеток
• Основные настройки:
- slave – арматура
- master – бетон
Расширенные возможности задания армирования
*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID
$# jid title
1
$# slave master sstyp mstyp ncoup cdir
2 1 0 0 0 0 0 1
$# start end
0.0 0.0

19. 19© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Карта требуется для вычисления деформаций и напряжений в балочных
элементах. Без этой карты не будет работать критерий разрушения для
балок по деформациям.
Тонкости работы с арматурой
*DATABASE_EXTENT_BINARY
$# neiph neips maxint strflg sigflg epsflg rltflg engflg
0 0 0 1 1 1 1 1
$# cmpflg ieverp beamip dcomp shge stssz n3thdt ialemat
0 0 1 1 1 1 2 0
$# nintsld pkp_sen sclp hydro msscl therm intout nodout
0 0 0.000 0 2 0STRESS STRESS
$# dtdt resplt
0 0

20. 20© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Замена умерших лагранжевых элементов на частицы с возможной
подменой модели материала
• *DEFINE_ADAPTIVE_SOLID_TO_SPH
- Реализована в 2008 – 2011 году для LS-DYNA R6
• *DEFINE_ADAPTIVE_SOLID_TO_DES
- Реализована в 2013 – 2014 году для LS-DYNA R8
Len Schwer, “New keywords related to blast & penetration: a few simple applications”
Переход к бессточным методам для разрушенного материала

21. 21© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Еще один эксперимент

22. 22© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Kazunori Fujikake, Bing Li, Sam Soeun, Impact Response of Reinforced
Concrete Beam and Its Analytical Evaluation
• Падение цилиндрического ударника на железобетонную балку
• Несколько типов арматуры
• Несколько высот падения
• Хорошее описание эксперимента
Низкоскоростной удар по бетонной балке

23. 23© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Арматура встраивается в бетон через уравнение связи
Внешний вид КЭ модели

24. 24© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015
Некоторые экспериментальные данные

25. Спасибо за внимание!
Юрий Новожилов
Yury.Novozhilov@cadfem-cis.ru
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2015