Analysis of reinforced concrete with FEM/fr

Contexte
L'atelier FEM offre la possibilité d'estimer le niveau de ferraillage requis dans une structure en béton afin d'éviter une rupture fragile sous tension ou par cisaillement.



Ceci est effectué avec la méthode décrite dans "Computation of reinforcement for solid concrete", P.C.J. Hoogenboom and A. de Boer, HERON Vol. 53 (2008) No. 4. Il s'agit essentiellement d'une routine de post-traitement pour Calculix, qui calcule les principales contraintes de traction dans le béton à partir d'une analyse élastique et les utilise pour déterminer le ferraillage minimal requis dans les trois directions de coordonnées pour éviter les ruptures. Dans l'analyse, il est supposé que le béton ne peut pas supporter de contraintes de traction, alors que l'acier est utilisé à sa capacité maximale (c'est-à-dire qu'il prend en compte toute la contrainte).

Le renforcement requis est exprimé en termes de rapport de renforcement. C'est le rapport de l'acier à la surface du béton. Par exemple, un rapport de ferraillage de 0,01 dans la direction x (rx = 0,01) signifie que la section totale des barres de ferraillage s'étendant dans la direction x doit être égale à 1% de la surface de la section en béton traversée. Une section hypothétique de 1 m x 1 m devrait dans ce cas contenir 0,01 m2 d'acier, ce qui pourrait être obtenu en utilisant 90 barres d'armature de 12 mm de diamètre chacune (surface d'acier = 90 * PI * (0,012)^2 / 4 = 0,0102 m^2). Si le rapport de renforcement requis sur cette section transversale en béton est uniforme, les barres pourraient être placées sur une grille d'équidistance de 9 x 10 avec un entraxe d'environ 10 cm. Il s’agit toujours d’un chiffre pratique dans lequel il reste suffisamment d’espace entre les barres pour permettre au béton de passer et d’assurer un remplissage de haute qualité. Des valeurs beaucoup plus élevées conduiraient à une grille de renforcement très dense avec des problèmes potentiels de qualité, tandis que des valeurs beaucoup plus basses pourraient entraîner de grandes fissures de tension dans la section transversale entre les barres. Dans la pratique, le ratio typique va de 0,002 à 0,02 (= 0,2% à 2%). Vous trouverez des informations supplémentaires dans les codes de conception.

Si le rapport de renforcement requis n'est pas uniforme sur toute la section, la section peut être divisée pragmatiquement en sous-sections avec un rapport plus ou moins uniforme et un renforcement appliqué à ces sections. Un exemple sera donné plus tard.

En guise de mise en garde, la conception d'une structure en béton sûre et durable requiert bien plus que ce que l'atelier FEM peut actuellement fournir. Par exemple, la méthode ne calcule pas la largeur des fissures (importante pour la durabilité et la fonctionnalité), ni les déformations précises (les résultats FEM pour le béton sont simplement linéaires-élastiques), et ne tient pas compte des exigences en matière d'ancrage des armatures (qui entraîneraient une augmentation des taux de renforcement requis dans les zones d'ancrage). De plus, il ne prévoit pas non plus l'écrasement du béton (bien que l'indication de cela puisse être obtenue en traçant la contrainte de Mohr-Coulomb - voir plus loin), ce qui pourrait signifier que le béton se ruine avant que le renfort ne cède, entraînant une défaillance fragile de la structure globale. Cette limitation et d'autres signifient que la fonctionnalité béton de FEM ne peut être utilisée que pour évaluer des conceptions conceptuelles, tandis que les décisions de conception détaillées critiques pour la sécurité et les performances devraient être laissées à des professionnels qualifiés.

Géométrie du modèle, charges et supports
Bien que la routine béton de FEM n'exige aucun critère supplémentaire en matière de géométrie, de charges et de supports, il convient de garder à l’esprit que des angles vifs et un support sur une arête ou un sommet peuvent introduire des concentrations de contraintes qui conduiront à des taux de renforcement extrêmement élevés et irréalistes à ces endroits ou à leur proximité.

Paramètres des matériaux
L'atelier FEM dispose d'un matériau spécifique pour les matériaux renforcés, qui combine un matériau de matrice (par exemple le béton) et un matériau de renforcement (par exemple de l'acier). Pour l'analyse du béton armé avec FEM, les paramètres suivants doivent être spécifiés au minimum :

pour le béton :

- Module de Young (utilisé dans l'analyse Calculix pour calculer les déformations élastiques et les contraintes) - coefficient de Poisson (idem) - résistance à la compression uniaxiale (utilisée lors du post-traitement dans FEM pour calculer la contrainte de Mohr Coulomb en tant qu'indicateur de rupture par écrasement ou de cisaillement dans le béton) - angle de frottement (idem)

pour l'acier :

- limite d'élasticité (utilisée lors du post-traitement dans FEM pour calculer les taux de renforcement)

Veuillez noter que trois types d’analyses sont effectuées : 1) Une analyse élastique utilisant Calculix (utilisant uniquement les paramètres élastiques du béton) ; 2) une étape de post-traitement pour analyser le ferraillage requis (en utilisant uniquement la limite d'élasticité de l'acier) et 3) le calcul de la contrainte de Mohr Coulomb (en utilisant uniquement les paramètres de résistance du béton, à savoir la résistance à la compression uniaxiale et l'angle de frottement). La contrainte de Mohr Coulomb peut être examinée dans le pipeline VTK.

Application
Dans la suite de cet article, quelques cas pratiques seront analysés pour discuter de l'application de la méthode.

Poutre simplement supportée avec une charge uniforme
Une poutre en béton de 4,0 x 0,1 x 0,3 m est chargée par son propre poids et par une charge répartie de 100 kN (25 kN/m).

Les paramètres des matériaux sont les suivants :

pour le béton :

- module de Young = 32 GPa (par défaut selon Calculix pour le béton) - coefficient de Poisson = 0,17 (par défaut selon Calculix pour le béton) - résistance à la compression uniaxiale = 30 MPa (béton type C30/37) - angle de frottement = 30 degrés

pour l'acier :

- limite d'élasticité = 500 MPa

Le poids spécifique du béton est de 24 kN/m^3

L'armature requise dans la direction x est très importante (5,4%) et dépasse les pourcentages maximum typiques autorisés par le code pour éviter toute défaillance fragile. Les fortes contraintes de cisaillement au niveau des appuis obligent également à un renforcement important :



Le graphique de Mohr Coulomb montre que la poutre est effectivement sujette à l'écrasement du côté comprimé (contrainte de Mohr Coulomb > 0.0), comme on pouvait s'y attendre avec un pourcentage de renforcement très élevé :



Le rapport de renforcement et la contrainte de Mohr Coulomb indiquent que nous avons un problème et qu'il est nécessaire de repenser notre conception. Les solutions potentielles consistent à augmenter les dimensions de la poutre ou à utiliser du béton précontraint. Plus de détails peuvent être trouvés dans le post suivant : https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=10#p235003

Poutre avec support à mi-portée
Une poutre en béton de 8,0 x 0,2 x 0,4m est chargée par son propre poids et par une charge répartie de 160 kN (20 kN/m).

Les paramètres matériels sont les suivants :

pour le béton :

- module de Young = 32 GPa (par défaut selon Calculix pour le béton) - coefficient de Poisson = 0,17 (par défaut selon Calculix pour le béton) - résistance à la compression uniaxiale = 25 MPa (béton type B25) - angle de frottement = 30 degrés

pour l'acier :

- limite d'élasticité = 286 MPa (réduite de 500 MPa pour tenir compte d'un coefficient de sécurité de 1,75)

Le poids spécifique du béton est de 24 kN/m^3

Le tracé ParaView du fichier VTK exporté montre que l'exigence de ferraillage est la plus grande en haut de la poutre près du support central. C'est ici que se produit le moment de flexion le plus élevé. Le taux de renforcement maximal est de 0,02 dans la partie supérieure de la plage pratique indiquée précédemment :



La section d’acier requise sur le support central peut être obtenue avec un filtre d’intégration ParaView appliqué à la section médiane de la poutre :



Le panneau au bas de cette image montre que la surface totale d'acier requise pour cette section est de 389,6 mm^2. Comme une barre de renforcement de diamètre 12 mm a une section de 113 mm^2, cela signifie que 4 barres seraient nécessaires, ce qui correspond à une section de 452 mm^2. Celles-ci devraient être placés près du sommet de la poutre, tout en maintenant une couverture en béton suffisante. Le centre de gravité théorique du ferraillage peut être trouvé par intégration :

CoG_y = Integrale (rx * y dy dz) / Integrale (rx dy dz) CoG_z = Integrale (rx * z dy dz) / Integrale (rx dy dz)

Ces intégrales peuvent également être déterminées avec ParaView et donner pour le cas présent (voir les panneaux du bas dans l'image ci-dessus) :

CoG_y = 38961 / 389.6 = 100.0 mm   CoG_z = 134917 / 389.6 = 346.3 mm

ce qui correspond, comme prévu, au milieu de la largeur près du sommet.

La nécessité de renforcement énoncée ci-dessus s’accorde bien avec celle obtenue avec les méthodes traditionnelles :

https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=20#p235063

Enfin, une vérification des contraintes de Mohr Coulomb est à effectuer pour vérifier le potentiel d'écrasement du béton. Pour cette vérification, la résistance à la compression caractéristique du béton (25 MPa) doit être divisée par un coefficient de matériau approprié (> 1,0).

Mur en cisaillement avec une charge uniforme
Un mur de 4,0 x 2,0 x 0,15 m est soutenu par deux colonnes de 0,5 m de large. Ce mur est chargé par son propre poids et par une charge répartie de 1,0MN sur son sommet.

Les paramètres des matériaux sont les suivants :

pour le béton :

- module de Young = 32 GPa (par défaut selon Calculix pour le béton) - coefficient de Poisson = 0,17 (par défaut selon Calculix pour le béton) - résistance à la compression unidirectionnelle = 20 MPa - angle de frottement = 30 degrés

for steel:

- yield strength = 286 MPa

The specific weight of the concrete is taken as 24 kN/m^3

The horizontal reinforcement ratio peaks at 0.014 (1.4%) near the bottom center section of the wall and the vertical reinforcement ratio is at a maximum 0.008 (0.8%) near the corners of the wall with the columns, where the shear stresses are highest:



The above picture shows possible zones of constant reinforcement ratio for the design of reinforcement. Although a minimum reinforcement percentage of 0.2% is chosen, it will be hard to achieve such a low value in practice, given that the the spacing should not exceed a practical limit (say 300mm). Even with a light reinforcement grid of 10mm bars (cross sectional area = 78mm^2), the reinforcement ratio would then be 2 * 78 / (150 * 300) = 0.0035 (0.35%). (Note: the factor 2 stems from the fact that the grid will be placed at both faces of the wall). If we add one more bar to the grid (halving the distance) the reinforcement ratio would double to 0.7% and one more would give approximately 1%. So most of the reinforcement requirement could be achieved by starting off with a grid of d=10mm at 300x300mm spacing and adding bars in horizontal or vertical direction, as required. This would cover all but the requirement at the bottom of the wall, where we could add 3 bars d=12mm, giving a horizontal reinforcement ratio of 3 * 113mm^2 / (150mm * 150mm) = 0.015 (1.5%). Here it is assumed that the height of the bottom zone is 150mm. Alternatively, we could chose 2 bars of 16mm diamter, which would achieve the same reinforcement ratio for a zone of 180mm height.

Finally, a review of the Mohr Coulomb stress shows that no concrete crushing is expected in the wall. https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=28821&start=10#p234673

Deep beam with opening
The FIB Practitioners' Guide to Finite Element Modelling of Reinforced Concrete Structures contains a design example of a deep concrete beam with opening. The example is used in that report to demonstrate the "Strut-and-Tie" method. Here the results will be compared to those obtained with the FreeCAD FEM workbench.

The beam dimensions are 11.0x4.0x0.6m and it is loaded at the top by a distributed load of 120kN/m and a load of 5000kN introduced by a 1m wide column. The factored compressive strength of the concrete is 0.75 x 0.6 x fc = 0.45 * 35 = 15.8MPa and the factored yield strength of the reinforcement steel is 315MPa.

The reinforcement ratios and principal concrete stresses (compression only) derived with FreeCAD are shown below:



The required horizontal reinforcement (below in red) is determined by integration of the horizontal reinforcement ratio over the vertical cuts of interest (below in black). This is done using a Paraview integration filter.



The insert to the above figure shows a comparison of reinforcement requirements (in mm^2 of steel) determined with FreeCAD to those in the FIB report.

The following shows how the integration over lines of interest works in Paraview:



Finally a plot of compressive and tensile principal stresses to demonstrate how stresses flow through the beam.



The tensile stress pattern suggests an alternative design concept using pre-stressing cables (superimposed in white). This concept is further elaborated in the following post:

https://forum.freecadweb.org/viewtopic.php?f=18&t=33049