FRACTURE PROPAGATION IN QUASI-BRITTLE MATERIALS USING EXTENDED/GENERALIZED FINITE ELEMENT METHOD. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (FRACTURE PROPAGATION IN QUASI-BRITTLE MATERIALS USING EXTENDED/GENERALIZED FINITE ELEMENT METHOD) Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 23 September 2022. Download (13MB)

Arabic Abstract

يعد التوصيف الدقيق لتطور الشقوق مشكلة حسابية معقدة ومكثفة. ومع ذلك ، فإن التقدم في القدرة الحسابية وكفاءة الطرق العددية زاد من الاهتمام بالنماذج العددية لمحاكة الشقوق الخرسانية. أولاً ، الأطروحة تسد الفجوة في الأدبيات من خلال توفير مراجعة شاملة عن النماذج الرقمية. تستعرضالأطروحة النماذج العددية للشقوق في الخرسانة بناءً على توصيفها للخرسانة مقسمة الى النماذج العيانية أو المجهرية. بعد ذلك ، تمت صياغة مجموعة متنوعة من التجارب المعملية لدراسة الشقوق الخرسانة جنبًا إلى جنب مع عمليات المحاكاة العددية لها. استخدام طريقة العناصر المحدودة المعممة (GFEM) لإثراء هيفيسايد وإلاثراء الفردي يحسن كفاءة المحاكاة الحسابية مقارنة بالنماذج العددية الأخرى. منطقة عملية الكسر في الخرسانة (FPZ) تجعل قوة الكسر تعتمد على الحجم. تتحقق الأطروحة من قدرة خوارزمية (GFEM) على التنبؤ بتأثير حجم الخرسانة بناءً على (CZM) من خلال محاكاة تمدد الشروخ لمجموعتين من الكمراتالخرسانية المتشابهة. يتم وضع نتائج المحاكاة على قانون تأثير الحجم الثاني وقانون بازانت لتأثير الحجم العام. بعد ذلك ، يتم التحقق من قدرة الخوارزمية على محاكاة تمدد الشقوق مختلطة الوضع لعدد من الاختبارات المعملية الخرسانية. تم اثبات تفوق الكفاءة الحسابية للخوارزمية المستخدمة مقارنة بالخورزميات الأخرى. تعتبر ميكانيكا الكسر الخطي المرن (LEFM) أكثر كفاءة من الناحية الحسابية ولكنها غير مناسبة للمواد شبه الهشة. وهكذا ، تمت صياغة والتحقق من نموذج تجريبي يعدل حلول LEFM الخاصة بانكسار وضع الخاصة بانكسار وضع الفتح للكمرات الخرسانية بعد دراسة تأثير العمق والطول ونسبة طول الشق الأولي إلى العمق ومتانة الكسر وقوة الشد ومعامل المرونة على دقة LEFM .

English Abstract

Rigorous characterization for the crack evolution is a computationally intensive and complex problem. However, the headway in computational power and numerical methods’ efficiency increased the interest in concrete fracture numerical models. First, the thesis closes the gap in the literature by providing a comprehensive literature review for numerical models verification. The thesis reviews concrete fracture numerical models based on their characterization of concrete, i.e., macroscopic or mesoscopic models. Next, a diverse set of concrete experimental fractures is formulated along with their numerical simulations from the literature. Generalized finite element method (GFEM) utilization of Heaviside and singular enrichment improves simulation computational efficiency compared to other numerical models. The fracture process zone in concrete makes fracture strength size-dependent. The thesis validates the ability of an adaptive GFEM to predict concrete size effect based on the bilinear cohesive zone model (CZM) through fracture stimulation of two sets of geometry similar concrete beams. Simulation results are put on type II size effect law and Bažant’s universal size effect law. Then, the GFEM’s ability to simulate mixed-mode crack trajectories of various experimental tests is validated. The GFEM superiority due to mesh adaptivity is established by comparing coarse and fine meshes results. Linear elastic fracture mechanics (LEFM) is more computational efficient but illsuited for quasi-brittle materials. Thus, an empirical model modifying the LEFM solutions of three-point bending beam tests is formulated and validated after studying the effect of depth, span, initial notch to depth ratio, fracture toughness, tensile strength, elastic modulus on LEFM accuracy.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Mukhtar, Faisal
Committee Members:	Al-Gahtani, Husain and Al-Gadhib, Ali
Depositing User:	ABDELRAHMA EL TOHFA (g201474960)
Date Deposited:	23 Aug 2022 08:40
Last Modified:	23 Aug 2022 08:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142210