A multifiber beam model coupling torsional warping and damage for reinforced concrete structures

Abstract

This paper is dedicated to the numerical modelling of structures using multifibre beam elements. A formulation is developed to account for torsional warping in the deformations of an arbitrary-shaped composite cross section. The resulting warping profiles are validated by comparison with the axial displacements obtained by three-dimensional modelling of beams in torsion. The warping kinematics is then implemented in a Timoshenko multifibre beam element. The material is modelled by a 3D damage law, and warping is updated throughout the computations to account for damage evolution. Non-linear parameters of the constitutive model are identified using a genetic algorithm. A comparison of torque–twist curves predicted with enhanced and classical beam elements to experimental curves highlights the importance of including warping in the model. The analysis of damage patterns further ascertains the effect of warping.

Cet article propose une méthode de modélisation de structures par éléments finis multifibres, en enrichissant la cinématique de la section par une fonction de gauchissement en torsion. Le profil de gauchissement obtenu est confronté aux déplacements axiaux au sein de poutres modélisées en 3D. Des calculs multifibres sont ensuite menés sur des poutres de béton pur en torsion. Le matériau est modélisé par une loi d’endommagement 3D. Le profil de gauchissement de la section est réactualisé au cours du calcul de structure, pour tenir compte de l’endommagement progressif du béton. Les paramètres non linéaires du modèle sont calés grâce à un algorithme génétique. La comparaison des courbes moment-rotation issues des for-mulations avec et sans gauchissement à des résultats expérimentaux, associée à l’analyse des profils d’endommagement, montre l’importance cruciale du gauchissement dans le modèle.

Keywords:

• torsion
• warping
• concrete
• damage
• nonlinear analysis
• genetic algorithm
• finite elements
• multifiber beams

Mots-clés:

• torsion
• gauchissement
• béton
• endommagement
• analyse non linéaire
• algorithme génétique
• éléments finis
• poutres multifibres