Advanced Damage-Plasticity Modelling and Calibration Strategies for Accurate Finite-Element Analysis of Unreinforced Concrete in Thin-Walled Structures

ENG: Accurate prediction of unconventional, unreinforced concretes in three‑dimensional finite‑element analysis demands a synthesis of advanced constitutive theory, rigorous experimental calibration, and careful numerical implementation. This study consolidates recent progress and remaining challenges in modeling slag‑blended, recycled‑aggregate, fiber‑reinforced, and ultra‑thin formwork concretes within the ANSYS environment. A literature survey identifies three dominant strategies for plain concrete: the legacy smeared‑crack SOLID65 element, generalized Drucker–Prager plasticity with user‑defined damage, and detailed mesoscale representations that resolve aggregates, mortar, and inter-faces. Comparative findings show that damage‑plasticity formulations, exemplified by the Concrete Damaged Plasticity (CDP) model, reproduce load–deflection responses and crack patterns within fifteen percent of experimental results when parameters are calibrated against comprehensive test sets that include compression, tension, fracture, and time‑dependent data. Calibration protocols remain inconsistent across studies, hindering reproducibility and cross‑comparison. The absence of an open benchmark database for non‑standard concretes is highlighted as a key barrier to consensus on default parameters. Thin‑walled elements expose additional difficulties: geometric nonlinearity couples with progressive stiffness degradation, causing mesh‑dependent fracture energy dissipation and solver convergence issues. Remedies include refined through‑thickness meshes, nonlocal regularization, and robust arc‑length solution controls. Explicit crack‑tracking techniques such as phase‑field fracture and cohesive segments offer improved fidelity, especially for fiber‑rich mixes where residual tensile capacity governs serviceability, yet systematic validation of these methods remains sparse. Long‑term phenomena such as creep, shrinkage, and durability, along with high‑rate behaviors under impact and seismic loading, are underrepresented in current model verification, particularly for slag‑rich and recycled‑aggregate mixes. A practical roadmap is proposed that integrates five core actions: creation of a public benchmark database with fully documented laboratory tests; development of unified modeling protocols that specify calibration sequences, error metrics, and reporting formats; targeted investment in explicit fracture models for thin and fiber‑reinforced members; expansion of long‑term and dynamic experimental programs; and adoption of machine‑learning tools to automate parameter identification and flag anomalous model behavior. Complementary software advances, including plug‑and‑play material subroutines and graphical calibration wizards, are recommended to lower the expertise threshold for practicing engineers. Collectively, these measures chart a pathway from current academic advances toward robust, industry‑ready simulations capable of guiding the design of sustainable, reinforcement‑free concrete structures.

UKR: Точне прогнозування поведінки нетрадиційних, неармованих бетонів у тривимірному скінченно-елементному аналізі потребує синтезу розвинутої конститутивної теорії, ретельної експериментальної калібровки та уважної числової реалізації. У цій роботі узагальнено останні досягнення й окреслено актуальні виклики моделювання шлакопортландцементних бетонів на переробленому заповнювачі, волокнистих та ультратонких опалубних бетонів у середовищі ANSYS. Огляд літератури виділяє три провідні підходи для звичайного бетону: класичний елемент SOLID65 із розмазано тріщинною моделлю, узагальнена пластичність Друкера-Прагера з користувацьким пошкодженням і детальні мезомоделі, що розрізняють заповнювач, розчин і межові зони. Порівняльний аналіз показує, що пошкоджено-пластичні формулювання, зокрема модель Concrete Damaged Plasticity (CDP), відтворюють криві навантаження прогину та картини тріщиноутворення з точністю до 15 % за умови калібрування параметрів на повному наборі випробувань на стиск, розтяг, розкол і тривалу поведінку. Проте протоколи калібрування залишаються несистематизованими, що ускладнює відтворюваність і порівнянність результатів. Відсутність відкритої еталонної бази даних для нетрадиційних бетонів визнано ключовою перешкодою на шляху до узгоджених початкових параметрів. Тонкостінні елементи створюють додаткові труднощі: геометрична нелінійність поєднується з прогресуючим зниженням жорсткості, спричиняючи залежне від сітки розсіяння енергії руйнування та проблеми збіжності розв’язку. Як заходи пропонуються уточнене сіткування крізь товщину, нелокальна регуляризація та стійкі алгоритми дугової довжини. Явні методи відстеження тріщин, зокрема фазово польове руйнування та когезійні сегменти, підвищують точність, особливо для сумішей із високим вмістом волокон, де залишкова несуча здатність у розтягу визначає експлуатаційну придатність, однак їх систематична верифікація поки що обмежена. Довготривалі явища, такі як повзучість, усадка, довговічність, а також високошвидкісні навантаження при ударах чи сейсмічних впливах недостатньо представлені у сучасних програмах перевірки моделей, особливо для бетонів зі шлаком і переробленим заповнювачем. Запропоновано практичну «дорожню карту», що об’єднує п’ять ключових дій: створення публічної еталонної бази випробувань; розроблення уніфікованих протоколів моделювання з чіткими метриками похибок; цільові інвестиції в явні моделі тріщиноутворення для тонкостінних та волокнистих елементів; розширення довготривалих і динамічних експериментальних програм; упровадження машинного навчання для автоматизації підбору параметрів і виявлення аномальної поведінки моделей. Супутні програмні вдосконалення підключні підпрограми матеріалів «plug and play» та графічні майстри калібрування знижують поріг входу для практикуючих інженерів. Сукупно ці заходи прокладають шлях від академічних напрацювань до надійних, готових до промислового використання симуляцій, здатних підтримати проєктування стійких бетонних конструкцій без арматури.