@phdthesis{
author = "Jočić, Emilija",
year = "2023",
abstract = "Laminar composites are extensively used in civil engendering due to their exceptional strength,
stiffness, corrosion resistance, and cost-effectiveness. They are ideal for high-reliability applications.
The 21st century’s focus on environmental protection has led to increased use of
natural-based materials like cross-laminated timber (CLT) in building construction. CLT panels
have a high stiffness-to-weight ratio, making them well-suited as load-bearing elements, such as
walls and floors. The optimal design of laminar composites is often hindered by uncertainties
in failure prediction and the computational costs associated with progressive failure analysis
(PFA), particularly for larger structures.
This study introduces a novel prediction model that combines the smeared crack band (SCB)
damage model with the full layerwise theory (FLWT). The aim is to enhance the computational
efficiency of PFA in laminar composites while maintaining the accuracy of 3D finite element
models. The SCB model accurately captures the response of damaged lamina in both fiber
and matrix directions using distinct strain-softening curves, ensuring a precise representation
of post-failure behaviour. The damage law is derived based on the assumption that the total
energy required to cause failure in an element (released strain energy) is equivalent to the energy
necessary to create a crack passing through it. To alleviate mesh dependency, the fracture energy
is scaled by a characteristic element length. Failure initiation and modes are determined using
the Hashin failure criterion. Furthermore, the model is extended to consider different failure
behaviour of timber in tension and compression. This extension enhances the computational
framework’s applicability to the field of computational mechanics for bio-based composites, such
as CLT. The validity of the model is then confirmed through an extensive experimental program
carried out at the Faculty of Civil Engineering, University of Belgrade.
Application of layered finite elements for continuum damage modelling in laminar composites
remains largely unexplored in literature, particularly when combined with the SCB damage
model. The FLWT-based model accurately captures the 3D stress state within each lamina,
including continuous transverse stresses between adjacent layers, crucial for accurate prediction
of failure initiation. Furthermore, the FLWT demonstrates a weak correlation between the size
of the considered domain and the mesh, presenting a notable difference from standard finite
element models. The developed FLWT-SCB prediction model is integrated into an original
FLWTFEM framework, offering a user-friendly graphical environment for easy visualization
of input and output data. The proposed model’s efficiency has been verified using numerous
benchmark examples during progressive failure analyses of laminar composites and CLT panels
with arbitrary geometries, loading and boudary conditions and stacking sequences. The model
has demonstrated its accuracy in predicting the response of both intact and damaged laminar
composites, and valuable recommendations for future research in this field are included., Zbog svojih izuzetnih materijalnih karakteristika u pogledu čvrstoće i krutosti, male sopstvene
težine, otpornosti na koroziju i niskih troškova održavanja, kompozitni laminati imaju potencijal
za upotrebu u građevinarstvu. Sa porastom svesti o zaštiti životne sredine u 21. veku, sve je
češća upotreba prirodnih materijala. U skladu sa tim, u građevinarstvu sve veću popularnost
stiče kompozitni laminat na bazi drveta - unakrsno-lamelirano drvo (CLT). Zbog visokog odnosa
krutosti i sopstvene težine CLT-a, moguće je projektovati elemente male težine i velikog raspona.
Nepouzdanost u predviđanju ponašanja oštećenih kompozitnih laminata, kao i kompleksnost
proračuna progresivnog loma znatno otežavaju njihovo projektovanje.
U okviru ove disertacije je razvijen numerički model za analizu progresivnog loma kompozitnih
laminata, koristeći model razmazane pukotine (eng. "smeared crack band" - SCB) i slojevitu
teoriju ploča. Model poseduje kapacitet trodimenzionalnih numeričkih modela uz smanjeno
trajanje proračuna, čime se povećava efikasnost numeričke analize. Kod SCB modela, ponašanje
oštećene lamine je opisano različitim krivama loma u naponsko-deformacijskom prostoru, kako
bi se u makroskopskom pogledu opisala propagacija oštećenja koje nastaje usled kidanja vlakana
i matrice, respektivno. Zakon omekšavanja materijala je određen na osnovu pretpostavke da je
oslobođena energija deformacije jednaka energiji potrebnoj da dođe do loma vlakana, odnosno
kidanja matrice. Inicijacija i oblici loma su određeni primenom Hashin-ovog kriterijuma loma.
Nakon toga, izvršena je modifikacija modela kako bi se opisalo različito ponašanje drveta pri
zatezanju i pritisku. Na taj način, mogućnosti razvijenog numeričkog modela su proširene
i na analizu progresivnog loma prirodnih kompozitnih laminata, kao što je CLT. Validnost
predloženog modela je potvrđena kroz detaljna eksperimentalna ispitivanja na Građevinskom
fakultetu Univerziteta u Beogradu.
Upotreba slojevitih konačnih elemenata u analizi progresivnog loma je u velikoj meri neistražena
u literaturi, posebno u kombinaciji sa SCB degradacijskim modelima, gde slojeviti model
ploče treba objediniti sa fenomenima mehanike loma. Numerički model, zasnovan na slojevitoj
teoriji ploča, omogućava precizno određivanje prostornog stanja napona, zadovoljavajući uslove
ravnoteže međulaminarnih napona, što je veoma bitno prilikom predviđanja inicijacije loma.
Takođe, pri modeliranju većih konstrukcija, primenom slojevite teorije ploča omogućava se
znatno smanjenje broja konačnih elemenata u poređenju sa postojećim numeričkim modelima.
Razvijeni numerički model je implementiran u FLWTFEM kod, čime je obezbeđeno puno
grafičko okruženje, pogodno za vizualizaciju ulaznih podataka i rezultata proračuna. Efikasnost
predloženog modela je verifikovana korišćenjem brojnih referentnih numeričkih primera, prilikom
analize progresivnog loma kompozitnih laminata i CLT panela sa proizvoljnom geometrijom,
opterećenjem, graničnim uslovima i orijentacijom slojeva. Potvrđena je tačnost predloženog
modela u predviđanju odgovora kako neoštećenih tako i oštećenih kompozitnih laminata, a date
su i važne preporuke za buduća istraživanja u ovoj oblasti.",
publisher = "Univerzitet u Beogradu Građevinski fakultet Beograd",
title = "Progressive failure analysis of laminar composites under three-dimensional stress state using layered finite elements, Analiza progresivnog loma kompozitnih laminata u uslovima prostornog stanja napona primenom slojevitih konačnih elemenata",
url = "https://hdl.handle.net/21.15107/rcub_grafar_3234"
}
