SSNV143 - Traction biaxiale avec la loi de comportement BETON_DOUBLE_DP

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1 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 1/14 Manuel e Valiation Fascicule V6.04 : Statique non linéaire es structures volumiques Document V SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comportement BETON_DOUBLE_DP Résumé : Ce cas e valiation est estiné à vérifier le moèle e comportement D BETON_DOUBLE_DP formulé ans le care e la thermo-plasticité, pour la escription u comportement non linéaire u béton, en traction, et en compression, avec la prise en compte es variations irréversibles es caractéristiques thermiques et mécaniques u béton, particulièrement sensibles à haute température. La escription e la fissuration est traitée ans le care e la plasticité, à l'aie 'une équivalence énergétique, en ientifiant la ensité 'énergie e fissuration en moe I, avec le travail plastique 'un milieu homogène équivalent, où la éformation plastique est uniformément répartie, ans une zone "élémentaire". Cette approche préserve la continuité e la formulation u moèle, sur l'ensemble e son comportement, et contribue à éviter les ifficultés numériques possibles lors u changement 'état u matériau. La sensibilité pathologique e la solution numérique à la iscrétisation spatiale (maillage), engenrée par l'introuction 'un comportement aoucissant u béton en traction et en compression, est partiellement résolue en introuisant une énergie e fissuration ou e rupture, épenant 'une longueur caractéristique l c, liée à la taille es éléments. Le cas test compren eux moélisations D, le chargement consiste en une charge suivie une écharge.

2 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 2/14 1 Problème e référence 1.1 Géométrie Il s'agit 'un cube à 8 nœus, ont eux faces ont un éplacement normal nul, et les eux faces opposées ont un éplacement normal imposé, ifférent l'un e l'autre 'un coefficient 2. Le cube fait 1 mm e côté. Les cas tests sont composés 'une charge, suivie 'une écharge. Dans la moélisation A, le cube est orienté suivant le repère Oxz. Dans la moélisation B, il est tourné e 0 par autour e l'axe O. Face1x Moélisation A Face1z Facez U x = 0 z U z = 0 Moélisation B N 1 N 2 x Facex Face1z Face1x Facez U n = 0 z U n = 0 N 2 Facex N 1 x =2.

3 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : / Propriétés e matériaux Pour tester l'évolution es caractéristiques mécaniques e façon irréversible avec la température, on applique un champ e température écroissant. Certaines variables épenent e la température, 'autres u séchage. Enfin, on applique un coefficient e retrait e essiccation non nul, égal au coefficient e ilatation thermique, pour tester le fonctionnement "informatique". Les éformations thermiques seront ainsi égales et opposées aux éformations e retrait e essiccation. Ces épenances n'interviennent que pour es vérifications purement informatique, les caractéristiques mécaniques peuvent être consiérées comme constantes. Pour les caractéristiques mécaniques linéaires usuelles : Moule 'Young : E=2000 MPa e 0 C à 20 C E= MPa à 400 C (écroissance linéaire) E=5 000 MPa à 800 C (écroissance linéaire) Coefficient e Poisson : =0.18 Coefficient e ilatation thermique : =10 5 Coefficient e retrait e essiccation : =10 5 Pour les caractéristiques mécaniques non linéaires u moèle BETON_DOUBLE_DP : Résistance en compression uniaxiale : f ' c=40 N /mm 2 e 0 C à 400 C f'c = 15 N/mm^2 à 800 C (écroissance linéaire) Résistance en traction uniaxiale : f ' t=4 N /mm 2 e 0 C à 400 C f ' t=1.5 N /mm 2 à 800 C (écroissance Rapport es résistances en compression =1.16 biaxiale/compression uniaxiale : Énergie e rupture en compression : Gc=10 Nmm /mm 2 Énergie e rupture en traction : Gt=0.1Nmm/ mm 2 Rapport e la limite 'élasticité à la résistance en compression uniaxiale : 0% linéaire) 1. Conitions aux limites et chargements mécaniques Champ e température écroissant e 20 C à 0 C. Face inférieure u cube ( facex ) : bloquée suivant oz. Face supérieure u cube ( face1x ) : éplacement 0.0 mm imposé suivi 'une écharge e 0.1mm Face gauche u cube ( facez ) : bloquée suivant ox. Face roite u cube ( face1z ) : éplacement 0.15 mm imposé suivi 'une écharge e 0.05 mm Nœus inférieurs face avant ( N 1, N 2 ) : bloqué suivant o (Suppression es mouvements e corps solie).

4 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 4/14 2 Solution e référence 2.1 Méthoe e calcul utilisée pour la solution e référence La solution e référence est calculée e façon semi-analtique, sachant qu'en traction, seul le critère e traction est activé. Il faut onc résoure un sstème 'une équation à une inconnue, qui permet 'obtenir par ichotomie par exemple, la éformation plastique cumulée en traction. Celle-ci permet e calculer ensuite éformations et contraintes. Ceci est possible, connaissant le éplacement, et onc la éformation ans les eux irections imposées. Le éplacement ans la troisième irection est alors une inconnue u problème. La solution e référence est calculée uniquement en traction. La solution est éterminée par un programme e résolution par ichotomie en fortran inépenant. En compression, en écharge, la solution exacte n'a pas été recalculée, et constitue une solution e non régression u coe, liée à la version Pour la moélisation B, les résultats se éuisent par rotation u tenseur e contrainte e la moélisation A, u repère intrinsèque u cube au repère utilisateur, le champ e contrainte es eux configurations étant ientique ans le repère intrinsèque u cube. 2.2 Calcul e la solution e référence e référence Pour plus e étails sur les notations et la mise en équation, on se reportera au ocument e référence. Seules, les principales équations sont rappelées ici. On note a, le éplacement imposé suivant la irection x, et 2.a le éplacement imposé suivant la irection z. Le tenseur e éformation est e la forme a,,2.a,0.,0., 0. en prenant les notations usuelles e Coe_Aster (trois composantes principales, trois composantes e cisaillement). Le tenseur e contrainte est e la forme x,0., z,0.,0.,0., ans la moélisation A. Le critère e traction s'exprime sous la forme : f trac τ = oct + c. σoct 2 c f t t = + eq ( λ ) σ σ f ( λ ) t t Les équations constitutives sont écrites en istinguant la partie isotrope e la partie éviatorique es tenseurs e contraintes et e éformations. σ = 1 tr( σ ) = s + σ I 1 s = σ tr( σ ) I ε = 1 tr( ε ) ~ε = ε 1 ( ε ) tr I σ ε = ~ ε + ε I = La contrainte équivalente s'écrit alors : eq tr s 2 Dans le cas 'une formulation incrémentale, et 'une loi e comportement variable, en notant avec un exposant e les composantes élastiques e la contrainte et e la éformation, on obtient : + s e µ + = s + 2µ ~ + ε et e K + σ = σ + K ε µ K

5 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 5/14 Les critères en compression et en traction s'expriment e la manière suivante : τoct + a. σ oct 2 eq a f comp = f c ( λc ) = σ + σ f c ( λc ) b b b τoct + c. σoct 2 eq c f trac = f t ( λt ) = σ + σ f t ( λt ) Les éformations plastiques en traction et en compression s'expriment : ~ε ~ε p c p t λc s p a = 2 eq ε c = λc b σ b λt s p c = 2 eq ε t = λt σ On obtient pour la contrainte : + p ( ~ ~ e + p p t ) σ = σ K ( ε c + ε t ) s = s e 2µ ε p c + ε c t + λ λ 1 e e + a c s = 1 2µ + s b e eq σ = σ K λc + λt 2 2 σ b eq e λ λ pour la contrainte équivalente : σ σ eq + c t = 2µ + 2b 2 Les eux critères conuisent alors à un sstème e eux équations à eux inconnues λ c et λ t à résoure : 2 2 e eq a e 2µ K a 2µ K ac σ + σ λc + λ f ( ) t + c λc + λc = b b b b b b 2 2 e eq c e 2µ K ac 2µ K c σ + σ λc + λt + f ( ) t λt + λt = b b De façon analogue, ans le cas u seul critère e traction activé, configuration u cas test, on obtient un sstème 'une équation à une inconnue λ t à résoure : 2 2 e eq + + c e 2µ K c σ + σ λ f 2 2 t + t t + t ( λ λ ) = 0

6 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 6/14 On cherche onc à résoure ce sstème, en utilisant la forme particulière es tenseurs e contraintes et e éformations, uniformes sur la structure. En partant e ε = ( a, ε,2. a,0.,0.,0. ) et e σ = ( σx,0., σz,0.,0.,0. ). on obtient : ( λ + 2µ ) + ε λ + 2 a.. λ + ε ( λ + 2µ ) + 2a.. λ + ε λ + 2a. ( λ + 2µ ) σ x = a λ Le tenseur e contrainte élastique σ = a λ σ z = a 2 sx =. µ. ε 4 Le éviateur e contrainte élastique s = 2. µ. a +. µ. ε 2 sz = 2. µ. a. µ. ε e 1 La contrainte hrostatique élastique σ = ( λ + 2µ ) a + ε. e 2 2 eq La contrainte équivalente élastique σ = µ 4ε 12. a. ε a Dans le cas 'une courbe 'écrouissage post-pic linéaire en traction, l'expression u paramètre 'écrouissage est le suivant : p ε f ( p t 2. G f ( θ ) t θ, εt ) = τ ( θ, κ ) = f t ( θ ) 1 avec κ ( θ ) κ u ( θ ) u = lc. f t ( θ ) On cherche onc à résoure l'équation : 2 e eq + + c e 2µ K c σ + σ λ lc. f t f 1 λ = 0 2. G t t t t éq Sachant que la contrainte ans la irection est nulle, on obtient une secone équation : σ = s + σ = 0 = 1 2µ D'où : λt = + λ t σ 1 s + σ e eq e e λt e λt σ = = µ µε µ σ e σ eq a K c e µε 2. µ. a + σ que l'on peut substituer ans l'expression u critère 2µ 4 µε µ e σ eq 2.. a + K c. [éq 2.2-1]. Connaissant a, le éplacement imposé, on obtient une équation non linéaire à une inconnue, que l'on peut résoure simplement par ichotomie, et qui permet e calculer la éformation, puis l'ensemble es inconnues u sstème.

7 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 7/14 2. Incertitue sur la solution Elle est négligeable, e l'orre e la précision machine. 2.4 Références bibliographiques Le moèle a été éfini à partir es théses suivantes : 1) J. F. GEORGIN, lors e sa thèse "Contribution à la moélisation numérique u comportement u béton et es structures en béton armé sous sollicitations thermo-mécaniques à haute température", 2) G. EINFLING, lors e sa thèse "Contribution à la moélisation u béton sous sollicitation e namique rapie. La prise en compte e l'effet e vitesse par la viscoplasticité", et est écrit ans le rapport e spécification : ) SCSA/128IQ1/RAP/ , Développement 'un moèle e comportement D béton avec ouble critère e plasticité ans le Coe_Aster - Spécifications ".

8 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 8/14 Moélisation A.1 Caractéristiques e la moélisation D (EXA8) 1 élément, champ e contrainte et éformation uniforme. z U x = 0 U z = 0.2 Caractéristiques u maillage Nombre e nœus : 8 Nombre e mailles et tpe : 1 EXA8 x

9 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 9/14 4 Résultats e la moélisation A 4.1 Valeurs testées Ont été testées les composantes non nulles u champ e contraintes SIEF_ELNO (composante xx et zz ), la composante u champ e éformation EPSI_ELNO, qui constitue une inconnue u sstème (les éformations ans les eux autres irections étant imposées), la éformation plastique cumulée en traction (euxième variable interne, euxième composante u champ VARI_ELNO ), et enfin, uniquement pour le quatrième cas e chargement (écharge), la éformation plastique cumulée en compression, (première variable interne, première composante u champ VARI_ELNO ). Les trois premiers chargements corresponent à la charge, et possèent es résultats e référence. Le quatrième chargement correspon à la écharge, et constitue un résultat e non régression u coe. Champ SIEF_ELNO composante SIXX =0.2 et =0. et é (*) Champ SIEF_ELNO composante SIZZ =0.2 et =0. et é (*)

10 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 10/14 Champ EPSI_ELNO composante EPYY =0.2 et =0. et é (*) Champ VARI_ELNO composante VARI_2 (éformation plastique cumulée en traction) Pour un éplacement imposé Pour un éplacement imposé =0.2 et Pour un éplacement imposé =0. et Pour un éplacement imposé Champ VARI_ELNO composante VARI_1 (éformation plastique cumulée en compression) é (*)

11 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 11/14 5 Moélisation B 5.1 Caractéristiques e la moélisation D (EXA8) 1 élément, champ e contrainte et éformation uniforme. U n = 0 z U n = 0 x 5.2 Caractéristiques u maillage Nombre e nœus : 8 Nombre e mailles et tpe : 1 EXA8

12 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 12/14 6 Résultats e la moélisation B Ont été testées les composantes non nulles u champ e contraintes SIEF_ELNO (composante xx, zz et xz ), la éformation plastique cumulée en traction (euxième variable interne, euxième composante u champ VARI_ELNO ), et enfin, uniquement pour le quatrième cas e chargement (écharge), la éformation plastique cumulée en compression, (première variable interne, première composante u champ VARI_ELNO ). Les trois premiers chargements corresponent à la charge, et possèent es résultats e référence. Le quatrième chargement correspon à la écharge, et constitue un résultat e non régression u coe. 6.1 Valeurs testées Champ SIEF_ELNO composante SIXX =0.2 et =0. et é (*) Champ SIEF_ELNO composante SIZZ =0.2 et Pour un éplacement imposé en =0. et é (*)

13 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 1/14 Champ SIEF_ELNO composante SIXZ =0.2 et =0. et é (*) (*) en écharge, on effectue un test e non régression. Il n' a pas e solution analtique. Champ VARI_ELNO composante VARI_2 (éformation plastique cumulée en traction) =0.2 et =0. et é Champ VARI_ELNO composante VARI_1 (éformation plastique cumulée en compression) Pour un éplacement imposé en é (*)

14 Titre : SSNV14 - Traction biaxiale avec la loi e comport[...] Date : 17/02/2011 Page : 14/14 7 Snthèse es résultats Ce cas test offre es résultats satisfaisants par rapport aux résultats e référence, inférieurs à 0.06% pour les eux premiers cas e chargement, plus important pour le troisième, ce qui s'explique par un niveau e contrainte relativement faible (on atteint la fin e la courbe 'écrouissage en traction). Le test en écharge (quatrième chargement) permet e vérifier la non régression u coe. Le nombre 'itérations est relativement important au premier pas e calcul, e l'orre e 1, puis baisse à 7, 4 et 1, ce qui s'explique par le passage u seuil plastique au premier pas e calcul, pour atteinre un comportement quasi linéaire par la suite (courbes post-pic linéaires). On obtient aussi un nombre plus important 'itérations au pas 1 (ébut u quatrième cas e chargement), puis un nombre 'itérations baissant jusqu'à 1, u fait u passage en écharge, avec un changement e comportement, suivi 'un comportement quasi linéaire par la suite (courbes post-pic linéaires).

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