behaviour of rc beams using ansys - integrated · pdf fileparametric study on nonlinear finite...

14
INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 2, No 1, 2011 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article ISSN 0976 – 4399 Received on August 2011 published on September 2011 98 Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G 1 , Kothandaraman.S 2 1 Assistant Professor, Perunthalaivar Kamarajar Institute of Engineering and Technology Karaikal 609 603, Puducherry UT, India 2 Professor and Head of Civil Engineering, Pondicherry Engineering College, Puducherry 605 014, India [email protected] ABSTRACT Nonlinear behaviour of RC beams is complex due to involvement of various parameters. Many attempts have been made by the past researchers to predict the behaviour using ANSYS. The accuracy and convergence of the solution depends on factors such as mesh density, constitutive properties of concrete, convergence criteria and tolerance values etc., Past researchers have used various values of the above factors without providing much generalized guidelines. Hence, in order to lay a wider base for the behaviour prediction of RC beams using ANSYS, a large number of trial analysis were carried out by changing various parameters. In this paper, results of the four point bending analysis conducted with respect to concrete constitutive properties, mesh density, use of steel cushion for the supports and loading points, effect of shear reinforcement on flexural behaviour, convergence criteria, and impact of percentage of reinforcement are analysed and discussed. The outcome of this work will provide a wider platform for further usage of ANSYS in the analysis of RC beams. Keywords: Material nonlinearity, Convergence, Steel cushion, Shear reinforcement, ANSYS. 1. Introduction Experimental study on flexural behaviour of Reinforced Concrete (RC) beam involves cost of materials, testing devices, labour and time. Usually, finite element (FE) analysis is also carried out to counter check the test values. This helps in refining the analytical tools, so that even without experimental proof or check the complex nonlinear behaviour of RC beams can be confidently predicted. Hence, wider attempts were made by various researchers to accurately predict the behaviour of RC beams till complete failure using various FE software. It has been found that due to quasibrittle material behaviour of concrete, many parameters are to be properly taken into consideration in order to obtain an accurate solution. Hence, numbers of trial analyses are carried out using ANSYS 12.0 by changing various parameters which influences the accuracy and convergence. Idealization of reinforcement in concrete, constitutive properties of concrete, mesh density, incorporation of boundary conditions for supports and symmetric planes, modeling of loading and support regions, effect of shear reinforcement on flexural behaviour, effect of convergence criteria, impact of percentage of reinforcement and

Upload: ngokhuong

Post on 12-Feb-2018

226 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 2, No 1, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research article  ISSN   0976 – 4399 

Received on August 2011 published on September 2011  98 

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G 1 , Kothandaraman.S 2 1­ Assistant Professor, Perunthalaivar Kamarajar Institute of Engineering and 

Technology Karaikal ­ 609 603, Puducherry UT, India 2­ Professor and Head of Civil Engineering, Pondicherry Engineering College, 

Puducherry ­ 605 014, India [email protected] 

ABSTRACT 

Nonlinear behaviour of RC beams is complex due to involvement of various parameters. Many  attempts  have  been made  by  the  past  researchers  to  predict  the  behaviour  using ANSYS. The accuracy and convergence of the solution depends on factors such as mesh density, constitutive properties of concrete, convergence criteria and tolerance values etc., Past  researchers  have used various  values of  the  above  factors without providing much generalized guidelines. Hence, in order to lay a wider base for the behaviour prediction of RC beams using ANSYS, a large number of  trial analysis were carried out by changing various  parameters.  In  this  paper,  results  of  the  four  point  bending  analysis  conducted with respect to concrete constitutive properties, mesh density, use of steel cushion for the supports  and  loading  points,  effect  of  shear  reinforcement  on  flexural  behaviour, convergence  criteria,  and  impact  of  percentage  of  reinforcement  are  analysed  and discussed. The outcome of  this work will provide a wider platform  for  further usage of ANSYS in the analysis of RC beams. 

Keywords:  Material  nonlinearity,  Convergence,  Steel  cushion,  Shear  reinforcement, ANSYS. 

1.  Introduction 

Experimental  study  on  flexural  behaviour  of  Reinforced Concrete  (RC)  beam  involves cost of materials, testing devices, labour and time. Usually, finite element (FE) analysis is also carried out to counter check the test values. This helps in refining the analytical tools, so that even without experimental proof or check the complex nonlinear behaviour of RC beams  can  be  confidently  predicted.  Hence,  wider  attempts  were  made  by  various researchers  to  accurately  predict  the  behaviour of RC beams  till  complete  failure  using various  FE  software.  It  has  been  found  that  due  to  quasi­brittle  material  behaviour  of concrete, many parameters are to be properly taken into consideration in order to obtain an accurate solution. Hence, numbers of trial analyses are carried out using ANSYS 12.0 by  changing  various  parameters  which  influences  the  accuracy  and  convergence. Idealization  of  reinforcement  in  concrete,  constitutive  properties  of  concrete,  mesh density,  incorporation  of  boundary  conditions  for  supports  and  symmetric  planes, modeling  of  loading  and  support  regions,  effect  of  shear  reinforcement  on  flexural behaviour,  effect  of  convergence  criteria,  impact  of  percentage  of  reinforcement  and

Page 2: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

99 

other  parameters which  governs  the  analysis  are  considered  for  the  present  study.  The results and discussion of the present study are compared with the findings available in the literature. 

2.  Problem considered for the study 

For  the  proposed  study,  beam model  used by Wolanski,  2004  is  considered  by making suitable  conversion  to  SI  units.    The  length  of  the  beam  is  4724.4  mm with  supports located at 76.2 mm from each end of the beam allowing a simply supported span of 4572 mm.  The cross­section of the beam is 254 mm x 457.2 mm with main reinforcement of 3 bars of each area 200 mm 2  and shear reinforcement of 25 nos. with area  of each vertical link as 71 mm 2 . The detail of the RC beam model is as shown in Figure 1. 

Figure 1: Beam considered for the study  Figure 2: Idealization of rebar in concrete 

3.  Idealization of steel reinforcement in concrete elements 

The  steel  reinforcement  is  incorporated  in  concrete  using  either  discrete  model, embedded  model  or  smeared  model  depending  on  the  geometry  of  the  system.  In  the discrete model, spar or beam elements with geometrical properties similar to the original reinforcing elements are connected  to concrete mesh  nodes and  hence  the concrete and the reinforcement mesh share the same nodes. Concrete mesh is restricted by the location of  the  reinforcement.  Also,  the  concrete  occupies  the  same  regions  occupied  by  the reinforcement  and  the  volume  of  the  steel  reinforcement  is  not  deducted  from  the concrete  volume  [Wolanski,  2004  and  Kachlakev  et  al.,  2001].  The  embedded  model overcomes  the concrete mesh  restriction because  the stiffness of  the  reinforcing steel  is evaluated separately  from the concrete elements. The model  is built  in a way that keeps reinforcing steel displacements compatible with  the surrounding concrete elements. For

Page 3: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

100 

complex  reinforcement  details,  this  model  is  advantageous.  However,  this  model increases the number of nodes and degrees of freedom which increases the run time and computational  cost.    The  smeared  model  assumes  that  the  reinforcement  is  uniformly spread throughout the concrete elements in a defined region of the FE mesh. The effect of reinforcing  is  averaged within  the  pertaining  concrete  element  [Dahmani  et  al.,  2010]. This  approach  is  used  for  large­scale  models  where  the  reinforcement  does  not significantly contribute to the overall response of the structure. The features of the above techniques are  schematically  shown  in Figure 2. Hence,  for  the modeling of RC beams with  well  defined  geometry  and  reinforcement  details,  the  discrete  modeling  approach provides  an  accurate  and  true  representation  of  the  field  reality.  Earlier  researchers [Wolanski,  2004, Kachlakev  et  al.,  2001  and Dahmani  et  al.,  2010]  also  suggested  the discrete modeling strategy due to the facts stated above.  Hence, the discrete modeling is followed for all the analysis presented in this report. 

4.  Elements used for modeling 

For modeling RC beam, eight noded Solid65 element with  three degrees of  freedom at each  node  (translations  in  the  nodal  x,  y,  and  z  directions),  which  handles  nonlinear behaviour,  cracking  in  three  orthogonal  directions  due  to  tension,  crushing  in compression  and  plastic  deformation  is  used.  For  modeling  reinforcement,  two  noded Link8 spar element with three degrees of freedom at each node (translations in the nodal x,  y,  and  z  directions),  which  handles  plasticity,  creep,  swelling,  stress  stiffening  and large deflection is used. In order to avoid stress concentration problem, the  supports and loading  points  are  modeled  with  eight  noded  Solid45  element  with  three  degrees  of freedom  at  each  node  (translations  in  the  nodal  x,  y,  and  z  directions), which  handles plasticity, creep, swelling, stress stiffening, large deflection and strain. 

5.  Effect of mesh density on accuracy and convergence of analysis 

For  the analysis only a quarter of  the beam  is considered by using  the symmetry of  the geometry  and  loading  so  as  to  effectively  utilize  the  computational  time  and  available disk space [Figure 3]. In order to depict the behaviour of full size beam, nodes defining a vertical plane through centroid of  the beam cross­section are given a degree of freedom constraint UX = 0 and all nodes selected at Z = 0 are given the constraint UZ = 0. The support  nodes  were  constraint  along  UY  and  UZ  directions  in  order  to  create  roller condition. The accuracy and  the convergence of  the  results mainly depend on the mesh density. An optimum mesh density is arrived by conducting few numbers of trial analyses by  varying  the  mesh  density.    For  the  study  on  mesh  density,  four  trial  analyses  are carried  out  using  2790,  4185,  5580  and  8370  Solid65  concrete  elements  [Figure  4]. A plot  of  load  versus  midspan  deflection  [Figure  5]  shows  that  the  behaviour  remains almost  same  up  to  steel  yielding  stage.  After  the  yielding  of  steel,  there  is  a  small variation  in the  load versus deflection behaviour. It  is also observed that for model with 2790 elements,  the analysis  terminated at 71.728 kN due to non­convergence problems. Figure 6 shows the plot of number of elements versus midspan deflection at ultimate load, which  shows  little  variation  of  midspan  deflection with  respect  to  number  of  elements from  5580  to  8370.  Hence  as  a  preliminary  step  a  few  numbers  of  trial  analyses  are carried out to decide the optimum mesh density.

Page 4: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

101 

6.  Properties of concrete 

Concrete  is  a  quasi­brittle  material  and  has  different  behaviour  in  compression  and tension.  In  the  present  study,  analysis  is  carried out  by  using  three  stress­strain models proposed by Hognestad  [Park and Paulay, 1975],  simple stress­strain model  [Wolanski, 2004 and Kachlakev et al., 2001] and IS 456:2000 stress­strain model as shown in Figure 7.   Stress­strain curves  for concrete  in compression arrived using  the above models are shown  in  Figure  8.    The  load­deflection  curves  indicated  that  the  behaviour  of  beam remains  almost  the  same  for  all  the  above  models.  Modulus  of  elasticity  of  concrete determined  by  any  reliable  experimental  and  analytical  method  may  be  used.  In  this report,  modulus  of  elasticity  ck c  f E  5000 =  as  per  IS  456:2000  codal  provision  is adopted. Shear coefficient of zero represents a smooth crack (i.e., complete loss of shear transfer due to no aggregate interlock) and one represents a rough crack (i.e., no loss of shear  transfer  due  to  full  aggregate  interlock). Uniaxial  tensile  cracking  stress  obtained using  ck t  f f  7 . 0 =  as  per  IS  456:  2000  is  used  in  the  analysis.  For  cracked  tensile condition,  the  effect  of  tension  stiffening  is  incorporated  using  stiffness  multiplier constant  (Tc  ).  After  cracking,  the  uniaxial  tensile  strength  of  the  concrete  (ft) drops abruptly  to a  fraction of  it  (Tcft) and approaches  to zero at  a  strain 6 times  the cracking strain as  shown  in Figure 9. A parametric  study  has been carried out by  the authors by varying  the  value  of Tc  and  found  that  the  results  remain  unchanged.  Hence,  a  default value of 0.6 incorporated in ANSYS is used for all the analysis. From the literatures and the recommendations of the ANSYS manual, the various values used in the analysis are listed in the Table 1. Parameters which are not stated in the report are taken as program default [ANSYS, 2005]. 

Figure 3: Quarter beam FE model  Figure 4: Model with varying mesh density

Page 5: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

102 

Figure 5: Effect of varying mesh density  Figure 6: Mesh density on midspan  deflection 

Figure 7: Stress­strain model for concrete in compression

Page 6: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

103 

Figure 8:  Concrete stress­strain models  Figure 9: Tensile strength of cracked 

Concrete 

7.   Material properties of reinforcing steel and steel plate cushion 

The steel  reinforcement used  for  the  finite element models  is assumed  to be an elastic­ perfectly  plastic  material,  identical  in  tension  and  compression  as  shown  in  Figure  10. The  bi­linear  elastic­plastic  stress­strain  for  steel  reinforcement  to  be  used  with  Link8 element  is  furnished  in  two  sets  of  data. Modulus  of  elasticity  of  200000 N/mm 2  and Poisson’s  ratio of  0.3  is  used  to  setup  a  linear  isotropic model, which  is  for  the  elastic range. For bilinear isotropic hardening model of Link8 element, the specified yield stress, the stress­strain curve of reinforcement continues along the second slope defined by the tangent modulus. It is also experienced that for tangent modulus a small value of 10 to 20 N/mm 2  shall be used to avoid  loss of stability upon yielding. In the present study, yield stress  (fy)  of  414 N/mm 2  and  tangent  modulus  of 20 N/mm 2  is  used  for  reinforcement [Wolanski, 2004]. The modulus of elasticity and the Poisson’s ratio for Solid45 element for modeling steel cushion is considered as same as that of the steel reinforcement. 

Table 1: Material property for concrete 

Material property  Value 

Characteristics strength of concrete at 28 days  33.095   N/mm 2 Modulus of elasticity of concrete  27227.9 N/mm 2 

Poisson’s ratio  0.3 Shear coefficient for open crack  0.3 Shear coefficient for closed crack  1.0 Uniaxial crushing stress  ­1.0 Uniaxial tensile cracking stress  3.585 N/mm 2 

Stiffness multiplier for cracked tensile condition  0.6

Page 7: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

104 

Figure 10: Stress­strain curve for reinforcement steel 

8.  Effect of convergence criteria on accuracy and convergence of solution 

For nonlinear analysis of RC beams, use of default convergence criteria experiences non­ convergence problems after concrete starts to cracks. Various convergence criteria were followed by  earlier  researchers after  the  formation of  first  crack  in concrete. Wolanski, 2004 used default convergence criteria up to the formation of initial crack. Thereafter, the force  convergence  criteria  were  dropped  and  a  tolerance  limit  of  0.05  was  used  for displacement convergence criteria. Kachlakev et al., 2001 and Dahmani et al., 2010 used convergence  tolerance  limits  as  0.005  and  0.05  for  force  and  displacement.   Revathi  et al., 2005 adopted a tolerance limit for convergence as 0.001 at lower load levels and 0.04 at  higher  load  levels  for  both  force  and  displacement. Wu,  2006  followed  a  tolerance limit  of  0.05  for  force  and  displacement  convergence.  A  detailed  study  has  been conducted by  the authors,  for wide  range of  tolerance  limits by keeping other values  to program default and the salient features of the trials are presented in Table 2. Plot of load versus midspan deflection at ultimate load level for various convergence trials are shown in Figure 11. It is noted that the analysis with lower convergence limits (CON1) requires more  number  of  trials  and  ultimately  increase  in  computational  time  and  disk  space requirement. However,  the maximum midspan  deflection  obtained  by  this  trial  (93.245 mm)  is  in very close agreement with experimental value (92.71 mm) [Wolanski, 2004]. Also  noted  that,  irrespective  of  the  convergence  limits  used,  the  behaviour  of  beam remains  same up  to  steel  yielding stage. The variation of number of  iterations, ultimate load  and  corresponding  midspan  deflection  due  to  various  convergence  criteria  are plotted  in Figure 12. From  the above plot,  it  shows  that  the number of  iterations  is not increased significantly due to higher convergence limits. 

Table 2:  Convergence study Convergence 

scheme Force 

tolerance Displacemen t tolerance 

Number of iterations 

Ultimate load (kN) 

Midspan deflection (mm) 

CON1  0.1  0.1  1038  69.926  93.245 CON2  0.3  0.3  789  72.06  112.89 CON3  0.4  0.4  784  72.87  96.647 CON4  0.7  0.7  729  72.87  80.922 CON5  0.8  0.8  708  72.87  96.809

Page 8: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

105 

Figure 11: Convergence criteria on behaviour 

Figure 12:  Convergence study 

9.  Importance of load step and load increment 

In order  to predict  the nonlinear behaviour,  the total  load  is  to be divided  into  series of load  increments  (or)  load steps as required by Newton­Raphson method. The automatic time stepping in the ANSYS program predicts and controls  load step sizes for which the maximum  and  minimum  load  step  sizes  are  furnished.  The  number  of  load  steps, minimum  and maximum  step  sizes  is  determined  after  attempting many  trial  analyses. During the initiation of concrete crack, the steel yielding stage and at the ultimate stage where large numbers of cracks occurs, the loads are applied gradually with smaller  load increments. For the present analysis load step pattern followed by Wolanski, 2004 is used. Failure of the model is identified where the solution fails to converge even with very low load increment.

Page 9: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

106 

10.  Need for steel cushion for supports and loading point 

In order to overcome the stress concentration problems at the support and loading points, Wolanski, 2004, Elavenil et al., 2007 and Ibrahim et al., 2009 had included steel cushion at the supports and at the loading points using Solid45 element bonded with the Solid65 elements  at  the  nodal  points. The  restraint  and  loading was  applied  to  the  nodes of  the Solid45 elements. Wu, 2006 had studied the effect of steel cushion on the behaviour of RC beams and stated that the response of the beam remains practically the same. Figure 13  shows  the  FE model with  and without  steel  cushion.  The  load  versus  deflection  at midspan shown in Figure 14 indicated that the responses of the analysis in both the cases are practically the same up to the yielding of steel, which  is almost 95% of the ultimate load.  It  is  also  noted  that  the  load  at  first  crack  also  varies  marginally  as  indicated  in Figure 15. Hence,  for the evaluation of  flexural response of RC beams,  the  inclusion of steel cushion may not be necessary. However, by comparing the stress contour diagrams as  indicated  in  Figure  15,  for  the  detailed  study  on  stress  variation  at  the  loading  and support location, the steel cushion has to be included in the modeling. 

Figure 13:  Model with and without steel cushion

Page 10: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

107 

Figure 14: Effect of steel cushion 

11.  Effect of shear reinforcement (stirrups) on flexural behaviour 

While modeling RC beams  for flexural analysis,  the beams are to be modeled  including the shear reinforcements using Link8 elements so as to reflect the field reality. However, some of the researchers excluded the shear reinforcement for simplicity [Dahmani et al., 2010].    In  order  to  study  the  effect  of  excluding  shear  reinforcement  on  the  flexural behaviour,  a  comparative  study  is  undertaken  and  the  results  are  discussed.  Figure  16 shows  the  FE  model  with  and  without  shear  reinforcement.  Load  versus  deflection diagram shown in Figure 17 indicated that at ultimate load level, there is a small variation in the load versus deflection behaviour due to building up of more shear force. The crack pattern and stress distribution shown  in Figure 18 and 19  indicated that the  load at first crack  for  beams  with  shear  reinforcement  has  marginally  increased  from  23.17  kN  to 23.35  kN.  Also,  noted  that  at  62.27  kN  and  at  68.06  kN  load  more  diagonal  tension cracks are appeared for beams without shear reinforcement. Hence, for the more accurate prediction of nonlinear behaviour RC beams, the shear reinforcements are to be included in the modeling. 

Figure 15: Stress contours at first crack load with and without steel cushion

Page 11: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

108 

12.  Impact of percentage of tension steel on flexural behaviour 

Flexural  behaviour  RC  beams  due  to  variation  in  percentage  of  reinforcement  (pt)  is studied by using 0.33, 0.58, 0.91 (under reinforced), 1.53 (balanced), 2.05 and 2.34 (over reinforced) percentages. The plots of  load versus deflection at midspan are displayed  in Figure 20. It is noted that the behaviour in uncracked elastic range is almost the same for various percentage of steel, which is mainly dependent on the grade of concrete. It is also noted that for higher values of percentage of reinforcement the transition is smooth due to contribution of moment of  inertia by the steel  in  lieu of  loss of moment of  inertia due to cracking.  The  effect  of  tension  reinforcement  on  first  cracking  load,  ultimate  load  and corresponding midspan deflections are shown in Figure 21. It  is observed that the initial cracking behaviour is not much influenced by the percentage of reinforcement. However, it has more impact in the post­cracking behaviour. Also the ultimate capacity of the beam can be varied by varying the percentage of tension reinforcement. 

13.  Conclusions 

Based on the parametric study conducted on the four point bending nonlinear FE analysis of RC beams using ANSYS software the following conclusions are drawn: 

Figure 16: With and without stirrups  Figure 17: Behaviour with and without stirrups

Page 12: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

109 

Figure 18:  Effect of shear reinforcement on crack pattern 

Figure 19:  Effect of stirrups on longitudinal stress (X) distribution

Page 13: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

110 

Figure 20: Reinforcement % on behaviour  Figure 21: Effect % of reinforcement 

1.  An optimum mesh density should be arrived by performing a few preliminary trial analysis. 

2.  Stress­strain model recommended by IS 456: 2000 can be used for concrete as the results are in close agreement with models used by past researchers. 

3.  The  stiffness  multiplier  for  cracked  tensile  condition  has  no  effect  on  the behaviour of beams and hence default value can be used. 

4.  Near  the first cracking stage, steel yielding stage and at the ultimate stage lower convergence limits are to be used for accurate prediction of behaviour. 

5.  The  total  load  is  to  be  divided  into  a  number  of  suitable  load  steps  (load increments)  by  conducting  a  few  trial  analyses  until  a  smooth  load  versus deflection curve is obtained. 

6.  For prediction of general flexural behaviour, the use of steel cushion may not be required. However,  for  the  detailed  study  on  stress  concentration  at  the  loading and support location, the steel cushion is to be included. 

7.  The  initial  cracking  behaviour  is  not  varying  much  with  varying  percentage  of reinforcement. However,  in  the steel yielding  level  the variation  is much and the ultimate strength can be varied by varying the percentage of reinforcement. 

8.  The  tension  and  shear  reinforcements  are  to  be  precisely  incorporated  using discrete modeling technique in order to get more accurate behaviour. 

Acknowledgement 

The  authors  thankfully  acknowledge  Dr.    M.  C.  Sundarraja,  Assistant  Professor, Department of Civil Engineering, Thiagarajar College of Engineering, Madurai 625 015, Tamilnadu, India, for having graciously permitted us to use the ANSYS software for this work.

Page 14: behaviour of RC beams using ANSYS - Integrated · PDF fileParametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS Vasudevan. G, Kothandaraman.S

Parametric study on Nonlinear Finite Element Analysis on flexural behaviour of RC beams using ANSYS 

Vasudevan. G, Kothandaraman.S 

International Journal of Civil and Structural Engineering Volume 2 Issue 1 2011 

111 

14.  References 

1.  ANSYS  Commands  Reference,  (2005),  ANSYS,  Inc.  Southpointe,  275 Technology Drive,     Canonsbury, PA 15317, http:/www.ansys.com. 

2.  Dahmani, L., Khennane, A., Kaci, S.  (2010), “Crack  identification  in  reinforced concrete beams using ANSYS software”, Strength of materials, 42 (2) pp 232­240. 

3.  Elavenil,  S.,    Chandrasekar, V.  (2007),  “Analysis  of  reinforced  concrete  beams strengthened  with  ferrocement”,  International  Journal  of  Applied  Engineering Research, Research India Publication, 2(3), pp 431­440, 

4.  Ibrahim, A.M.,  Sh.Mahmood, M. (2009),  “Finite element modeling of reinforced concrete  beams  strengthened  with  FRP  laminates”,  European  Journal  of  Sci. Research, Euro Journals Publishing, Inc., 30(4), pp 526­541. 

5.  IS  456:2000,  Indian Standard:  Plain  and  reinforced  concrete –  code of  practice, Bureau of Indian Standards, New Delhi. 

6.  Kachlakev, D.,   Miller, T.,   Yim, S., Chansawat, K., Potisuk, T.  (2001), “Finite element  modeling  of  reinforced  concrete  structures  strengthened  with  FRP laminates”,  SPR  316, Oregon   Department  of  transportation  – Research Group, Salem, OR  97301­5192  and  Federal Highway  Administration, Washington, DC 20590. 

7.  Park, R, Paulay, T. (1975), “Reinforced concrete structures”, John Wiley & Sons, Inc., New York. 

8.  Revathi,  P.,  Devdas  Menon.  (2005),  “Nonlinear  finite  element  analysis  of reinforced  concrete  beams,  Journal  of  Structural  Engineering,  Structural Engineering Research Centre, Chennai, 32(2), pp 135­137, 

9.  Wolanski,  A.J.  (2004),  “Flexural  behaviour  of  reinforced  and  pre­stressed concrete beams using finite element analysis”, M.S.Thesis, Marquette University, Wisconsin. 

10. Wu, Z. (2006), “Behaviour of high strength concrete members under pure flexure and  axial­flexural  loadings”,  Ph.D.Thesis,  North  Carolina  State  University, Raleigh, North Carolina.