Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3355110.22363/1815-5235-2022-18-6-552-563Analysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleNumerical calculation of bent reinforced concrete elements of rectangular section in the Abaqus softwareЧисленный расчет изгибаемых железобетонных элементов прямоугольного сечения в программной среде Abaqushttps://orcid.org/0000-0003-0209-7726RimshinVladimir I.РимшинВладимир Иванович

full member of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Housing and Communal Complex, Institute of Environmental Engineering and Mechanization

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, кафедра жилищно-коммунального комплекса, Институт инженерно-экологического строительства и механизации

v.rimshin@niisf.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7104-3214AmelinPavel A.АмелинПавел Андреевич

postgraduate student, assistant of the Department of Construction and Urban Economy

аспирант, ассистент кафедры строительства и городского хозяйства

p.amelin@inbox.ruNational Research Moscow State University of Civil EngineeringНациональный исследовательский Московский государственный строительный университетResearch Institute of Construction Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction SciencesНаучно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наукBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovБелгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова15122022186Scientific Legacy of Academician Vitaly Mikhailovich BondarenkoНаучное наследие академика Виталия Михайловича Бондаренко55256310022023Copyright ©; 2022, Rimshin V.I., Amelin P.A.Copyright ©; 2022, Римшин В.И., Амелин П.А.2022Rimshin V.I., Amelin P.A.Римшин В.И., Амелин П.А.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/33551

The calculation of building structures to a large extent began to be performed using automated software systems based on the finite element method. An urgent issue of the widespread use of this type of calculation is the accuracy of the calculation results in comparison with experimental data. In this study, by numerical simulation using the Abaqus software package, the stress-strain state of a bent reinforced concrete element of a rectangular cross section is investigated. Numerical modeling of the element is performed by volumetric finite elements, taking into account the non-linear (actual) state diagram of concrete, described by the model of plastic fracture of concrete with damage (CDP). Reinforcement is specified by rod finite elements, with a combination of elastic properties and metal plasticity model. The loading of the beam element in the model is performed statically with the application of concentrated forces at the centers of the thirds of the design span. As a result of the finite element calculation, the distribution of stresses in concrete and reinforcement according to Mises, deformations of finite elements along the main axes, as well as a model of concrete damage with increasing load were obtained. The obtained results showed a high convergence with the experimental data of testing beams for bending along a normal section, which allows using this algorithm for automated finite element analysis in the design of bending reinforced concrete structures.

Расчет строительных конструкций в значительной степени стал выполняться с использованием автоматизированных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Актуальным вопросом повсеместного применения данного вида расчетов является точность их результатов в сравнении с экспериментальными данными. В данном исследовании путем численного моделирования с использованием программного комплекса Abaqus изучается напряженно-деформированное состояние изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного поперечного сечения. Численное моделирование элемента выполнено объемными конечными элементами с учетом нелинейной (фактической) диаграммы состояния бетона, описанной моделью пластичного разрушения бетона с повреждениями (CDP). Армирование задано стержневыми конечными элементами с комбинацией упругих свойств и модели пластичности металла. Нагружение элемента балки в модели выполнено статически с приложением сосредоточенных сил по центрам третей расчетного пролета. В результате конечно-элементного расчета получены распределения напряжений в бетоне и арматуре по Мизесу, деформации конечных элементов вдоль главных осей, а также модель повреждения бетона при нарастании нагрузки. Полученные результаты показали высокую сходимость с экспериментальными данными испытания балок на изгиб по нормальному сечению, что позволяет использовать данный алгоритм автоматизированного конечно-элементного расчета при проектировании изгибаемых железобетонных конструкций.

reinforced concretenonlinear numerical analysiselasticityplasticitydamagefinite-element simulationжелезобетоннелинейный численный анализупругостьпластичностьповреждениеконечно-элементное моделированиеKarpunin V.G., Golubeva E.A. Computer modeling of building structures. Architecton: Proceedings of Higher Education. 2019;(4). (In Russ.) Available from: http://archvuz.ru/2019_4/16 (accessed: 01.02.2023).Карпунин В.Г., Голубева Е.А. Компьютерное моделирование строительных конструкций зданий и сооружений // Архитектон: известия вузов. 2019. № 4 (68). URL: http://archvuz.ru/2019_4/16 (дата обращения: 01.02.2023).Bondarenko V.M., Rimshin V.I. Quasi-linear equations of force resistance and diagram σ–ε of concrete. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2014;(6):40–44. (In Russ.)Бондаренко В.М., Римшин В.И. Квазилинейные уравнения силового сопротивления и диаграмма σ-ε бетона // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2014. № 6. С. 40-44.Karpenko N.I., Kolchunov V.I., Travush V.I. Computational model of a complex-stressed reinforced concrete element of a box section during torsion with bending. Scientific Journal of Construction and Architecture. 2021;(2):9–26. (In Russ.)Карпенко Н.И., Колчунов В.И., Травуш В.И. Расчетная модель сложнонапряженного железобетонного элемента коробчатого сечения при кручении с изгибом // Научный журнал строительства и архитектуры. 2021. № 2 (62). С. 9-26. https://doi.org/10.36622/VSTU.2021.62.2.001Kryuchkov A.A. Stress-strain state of bent reinforced concrete elements of continuous and composite cross-section based on a refined nonlinear calculation method. Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2022;(4):82–91. (In Russ.) https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-7-4-82-91Крючков А.А. Напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов сплошного и составного сечения на основе уточненной нелинейной методики расчета // Вестник Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова. 2022. № 4. С. 82-91. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-7-4-82-91Bondarenko V.M., Rimshin V.I. Residual resource of force resistance of damaged reinforced concrete. Bulletin of the RAASN. 2005;(9):119–126. (In Russ.)Бондаренко В.М., Римшин В.И. Остаточный ресурс силового сопротивления поврежденного железобетона // Вестник РААСН. 2005. № 9. С. 119-126.Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering, ASCE. 1988;114(8):1804–1826.Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete // Journal of Structural Engineering, ASCE. 1988. Vol. 114. No. 8. Pp. 1804-1826.Bondarenko V.M., Borovskikh A.V., Markov S.V., Rimshin V.I. Elements of the theory of reinforced concrete reconstruction. Moscow; 2002. (In Russ.)Бондаренко В.М., Боровских А.В., Марков С.В., Римшин В.И. Элементы теории реконструкции железобетона: монография. М., 2002. 190 с.Varlamov A.A., Rimshin V.I. Models of concrete behavior. General theory of degradation. Moscow: INFRA-M Publ.; 2019. (In Russ.)Варламов А.А., Римшин В.И. Модели поведения бетона. Общая теория деградации. М.: ИНФРА-М, 2019. 436 с.Larionov E.A., Rimshin V.I., Vasilkova N.T. Energy assessment method stability of compressed reinforced concrete elements. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2012;(2):77–81. (In Russ.)Ларионов Е.А., Римшин В.И., Василькова Н.Т. Энергетический метод оценки устойчивости сжатых железобетонных элементов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2012. № 2. С. 77-81.Rimshin V.I., Merkulov S.I. Elements of the theory of development of concrete structures with non-metallic composite reinforcement. Industrial and Civil Construction. 2015;(5):38–42. (In Russ.)Римшин В.И., Меркулов С.И. Элементы теории развития бетонных конструкций с неметаллической композитной арматурой // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 5. С. 38-42.Telichenko V.I., Rimshin V.I. Critical technologies in construction. Bulletin of the Department of Construction Sciences of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences. 1998;(4):16–18. (In Russ.)Теличенко В.И., Римшин В.И. Критические технологии в строительстве // Вестник Отделения строительных наук Российской академии архитектуры и строительных наук. 1998. № 4. С. 16-18.Abaqus 6.14. Abaqus/CAE User's Guide. Available from: http://wufengyun.com/v6.14/books/usi/default.htm (accessed: 20.09.2022).Abaqus 6.14. Abaqus/CAE User's Guide. URL: http://wufengyun.com/v6.14/books/usi/default.htm (дата обращения: 20.09.2022).Lubliner J., Oliver J., Oller S., Oñate E. A plastic-damage model for concrete. International Journal of Solids and Structures.1989;25(3):299–326.Lubliner J., Oliver J., Oller S., Oñate E. A plastic-damage model for concrete // International Journal of Solids and Structures.1989. Vol. 25. No. 3. Pp. 299-326.Kvasnikov A.A. Methodology for calculating the interaction of concrete and reinforcement of reinforced concrete structures in the ABAQUS software package. Construction Mechanics and Calculation of Structures. 2019;(1):65–70. (In Russ.)Квасников А.А. Методика расчета взаимодействия бетона и арматуры железобетонных конструкций в программном комплексе Abaqus // Строительная механика и расчет сооружений. 2019. № 1. С. 65-70.Shen X., Yang L., Zhu F. A plasticity-based damage model for concrete. Advances in Structural Engineering. 2004;7:461–467.Shen X., Yang L., Zhu F. A plasticity-based damage model for concrete // Advances in Structural Engineering. 2004. Vol. 7. Pp. 461-467.Taqieddin Z., Voyiadjis G. Studying the effect of a hydrostatic stress-strain reduction factor on damage mechanics of concrete materials. Journal of Mechanical Behavior of Materials. 2013;22:149–159. https://doi.org/10.1515/jmbm-2013-0022Taqieddin Z., Voyiadjis G. Studying the effect of a hydrostatic stress-strain reduction factor on damage mechanics of concrete materials // Journal of Mechanical Behavior of Materials. 2013. Vol. 22. Pp. 149-159. https://doi.org/10.1515/jmbm-2013-0022Kueres D., Stark A., Herbrand M., Clalien M. Finite element simulation of concrete with a plastic damage model – basic studies on normal strength concrete and UHPC. Bauingenieur: Zeitschrift fuer das Gesamte Bauwesen. 2015;90(6): 252–264.Kueres D., Stark A., Herbrand M., Clalien M. Finite element simulation of concrete with a plastic damage model - basic studies on normal strength concrete and UHPC // Bauingenieur: Zeitschrift fuer das Gesamte Bauwesen. 2015. Vol. 90. No. 6. Pp. 252-264.Rakic D., Bodić A., Milivojevic N., Dunić V., Živković M. Concrete damage plasticity material model parameters identification. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics. 2021;15:111–122. https://doi.org/10.24874/jsscm.2021.15.02.11Rakic D., Bodić A., Milivojevic N., Dunić V., Živković M. Concrete damage plasticity material model parameters identification // Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics. 2021. Vol. 15. Pp. 111-122. https://doi.org/10.24874/jsscm.2021.15.02.11Obernikhin D.V., Nikulin A.I. Experimental studies of strength, crack resistance and deformability of reinforced concrete beams of trapezoidal and rectangular cross sections. Innovative Science. 2016;(8–2):73–77. (In Russ.)Обернихин Д.В., Никулин А.И. Экспериментальные исследования прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных балок трапециевидного и прямоугольного поперечных сечений // Инновационная наука. 2016. № 8-2. С. 73-77.Popov V.M., Plyusnin M.G. Influence of deformation characteristics of concrete on the bearing capacity of bent reinforced concrete elements. Industrial and Civil Construction. 2015;(8):5–10. (In Russ.)Попов В.М., Плюснин М.Г. Влияние деформационных характеристик бетона на несущую способность изгибаемых железобетонных элементов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 8. С. 5-10.