Abstract: Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Università degli Studi di Padova
(English) When concrete is subject to an environment characterised by a high humidity index and rich in sulphate ions, a concrete degradation process may be initiated due to External Sulphate Attack (ESA). The sulphate penetrating into the concrete activates a series of chemical reactions that lead to the formation of secondary ettringite, which may cause non-uniform volumetric expansions that may in turn generate cracking and ultimately culminate in the disintegration of the sample. Because the cracking may in turn facilitate sulphate penetration, ESA may be considered a coupled chemical-mechanical problem. In this study, the numerical analysis of ESA is conducted using the Finite Element Method by considering the specimen at the meso-level composed of larger aggregates embedded in a mortar matrix. Standard continuum finite elements are used to discretise the aggregates and the mortar. Zero-thickness interface elements are inserted along all the aggregate-mortar and selected mortar-mortar contacts to represent potential cracks. The diffusion-reaction of sulphate ions (chemical problem) is formulated following Tixier and Mobasher (2003) and Idiart et al. (2011b). Regarding the mechanical problem, the continuum elements are considered linear elastic, while the interface elements behave according to an elasto-plastic law incorporating concepts of fracture mechanics which was initially developed by Carol et al. (1997) and later extended for 3D analysis by Caballero et al. (2006). The first part of this thesis deals with the verification and use of DRAC5, a completely parallelised version of the in-house code developed within the materials mechanics group (MECMAT) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) which now incorporates MPI and PETSC libraries as well as HDF5 i/o files. This new version of the code, which is used to solve both the mechanical problem and the chemical problem through a staggered scheme, has allowed the analysis of new and more challenging
(Català) Un alt índex d'humitat i un entorn ric en ions sulfat constitueixen el marc ideal per desencadenar el procés de degradació del formigó conegut com a atac sulfàtic extern (ESA). El sulfat que penetra al formigó activa una sèrie de reaccions químiques que condueixen a la formació d'etringita secundària, considerada responsable de les dilatacions volumètriques diferencials de la pasta de ciment, que alhora poden generar fisuració i en última instància portar a la desintegració de la mostra. Atès que la fissuració pot facilitar la penetració dels ions sulfat, l'ESA constitueix un problema químico-mecànic acoblat. En aquest estudi, l'anàlisi numèrica de l'ESA es duu a terme utilitzant el Mètode dels Elements Finits, considerant la proveta a nivell "meso" composta per àrids encastats en una matriu de morter. Els àrids i la matriu es discretitzen utilitzant elements de continu estàndard. Per tal de representar la possibilitat de formació de fissures, s'insereixen elements junta o interfície de gruix zero al llarg de tots els contactes entre elements d'àrid i morter, així com alguns contactes seleccionats entre els elements del mateix morter. Els processos de difusió-reacció dels ions sulfat es formulen d'acord amb Tixier i Mobasher (2003) i Idiart et al. (2011b). Pel que fa al problema mecànic, els elements del continu es consideren elàstic lineals mentre que els elements junta utilitzen una llei elasto-plàstica amb conceptes de mecànica de fractura inicialment desenvolupada per Carol et al. (1997) i posteriorment estesa per a anàlisi 3D per Caballero et al. (2006). La primera part d'aquesta tesi consisteix en la verificació i l'ús per a l'anàlisi de l'ESA, de DRAC5, una versió completament paral·lelitzada del codi desenvolupat al propi grup de mecànica de materials (MECMAT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), que incorpora les llibreries MPI i PETSC així com fitxers HDF5 per a l'entrada/sortida. Aquesta nova versió del codi, que s'utilitza per resol
(Español) Un alto índice de humedad y un entorno rico en iones sulfato, constituyen el marco ideal para desencadenar el proceso de degradación del hormigón conocido como ataque sulfático externo (ESA). El sulfato que penetra en el hormigón activa una serie de reacciones químicas que conducen a la formación de etringita secundaria, considerada responsable de las dilataciones volumétricas diferenciales de la pasta de cemento, que a su vez pueden generar fisuracion y en última instancia llevar a la desintegración de la muestra. Dado que la fisuración puede a su vez facilitar la penetración de los iones sulfato, el ESA constituye un problema químico-mecánico acoplado. En este estudio, el análisis numérico del ESA se lleva a cabo utilizando el Método de los Elementos Finitos, considerando la probeta a nivel meso compuesta por áridos embebidos en una matriz de mortero. Los áridos y la matriz se discretizan utilizando elementos de continuo estándar. Con el fin de representar la posibilidad de formación de fisuras, se insertan elementos junta o interfase de espesor cero a lo largo de todos los contactos entre elementos de árido y mortero, así como de algunos contactos seleccionados entre los elementos del propio mortero. Los procesos de difusión-reacción de los iones sulfato, se formulan de acuerdo con Tixier y Mobasher (2003) y Idiart et al. (2011b). En cuanto al problema mecánico, los elementos del continuo se consideran elástico lineales mientras que los elementos de interfase utilizan una ley elasto-plástica con conceptos de mecánica de fractura inicialmente desarrollada por Carol et al. (1997) y posteriormente extendida para análisis 3D por Caballero et al. (2006). La primera parte de esta tesis consiste en la verificación y uso para el análisis del ESA, de DRAC5, una versión completamente paralelizada del código desarrollado en el propio grupo de mecánica de materiales (MECMAT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), que incorpora las librerías MPI y PETSC a
Postprint (published version)
Processing Request
No Comments.