Аннотації

Критичний аналіз аналітичних та чисельних моделей зчеплення арматури з бетоном

Автор(и):
Яковенко І.А., Дмитренко Є.А., Почка К.І., Бакай Т.В., Денисенко Д.О.
Автор(и) (англ)
Yakovenko I.A., Dmytrenko Ye.A. , Pochka K.I., Bakay T.V., Denysenko D.O.
Дата публікації:

23.12.2025

Анотація (укр):

У статті представлено комплексний критичний аналіз існуючих підходів до моделювання зчеплення арматури з бетоном, що є фундаментальним фактором для забезпечення надійності та довговічності залізобетонних конструкцій. Актуальність дослідження посилюється в контексті сучасних викликів, пов'язаних із повномасштабною війною в Україні, що вимагає точного прогнозування поведінки захисних споруд під дією динамічних, ударних та вибухових навантажень. Систематизовано та проаналізовано ключові напрямки досліджень: експериментальні методи, аналітичні моделі та чисельні симуляції. Розглянуто обмеження класичних експериментальних методів, таких як випробування на висмикування (pull-out test) та балочні випробування (beam-end test), і висвітлено переваги сучасних технологій моніторингу, зокрема розподілених волоконно-оптичних датчиків (DFOS) та цифрової кореляції зображень (DIC), які дозволяють отримати деталізовані дані про локальну поведінку зчеплення. Проведено критичний огляд аналітичних моделей "напруження зчеплення-проковзування", від напівемпіричних залежностей, як-от модель BPE, до більш теоретично обґрунтованих підходів на основі теорії товстостінного циліндра та моделі фіктивних тріщин. Продемонстровано, що через залежність від умов експерименту та значний розкид даних ці моделі часто не є універсальними. Особливу увагу приділено класифікації та аналізу чисельних моделей за рівнем деталізації. Макроскопічні моделі, від спрощених (SDOF, модель ідеального зчеплення) до вдосконалених (модель багатошарового перерізу з еквівалентною жорсткістю, моделі на основі систем диференціальних рівнянь), оцінено з точки зору обчислювальної ефективності та точності врахування ефекту проковзування. Детально розглянуто мезоскопічні підходи, які моделюють арматуру та бетон як окремі тіла, включаючи моделі з пружинними та когезійними елементами (CZM), фрикційно-когезійні моделі (FCZM), контактні алгоритми (1D Slide Line) та решітчасті (Lattice) моделі. Висвітлено переваги та недоліки кожного підходу, від фізичної обґрунтованості до обчислювальної складності. Також розглянуто перспективи застосування методів машинного навчання (напр., NARX, SSA-ELM) для швидкого та точного прогнозування режимів руйнування та залежностей "зчеплення-проковзування". У статті зроблено висновок про критичну важливість врахування ефекту проковзування для адекватного моделювання поведінки залізобетонних конструкцій, особливо після досягнення межі плинності арматури. Визначено, що вибір моделі має ґрунтуватися на балансі між необхідною точністю та наявними ресурсами, і сформульовано перспективні напрямки подальших досліджень, спрямовані на створення універсальних та обчислювально ефективних моделей.

Анотація (рус):

Анотація (англ):

This paper presents a comprehensive critical analysis of existing approaches to modeling the bond between reinforcement and concrete, which is a fundamental factor in ensuring the reliability and durability of reinforced concrete structures. The relevance of this research is amplified in the context of the current challenges posed by the full-scale war in Ukraine, which demands accurate prediction of the behavior of protective structures under dynamic, impact, and blast loadings. The key research areas have been systematized and analyzed: experimental methods, analytical models, and numerical simulations. The limitations of classical experimental methods, such as pull-out tests and beam-end tests, are reviewed, and the advantages of modern monitoring technologies are highlighted. These include distributed fiber optic sensing (DFOS) for quasi-continuous measurement of reinforcement strains and digital image correlation (DIC) for analyzing crack kinematics, both of which provide detailed data on local bond behavior. A critical review of analytical bond-slip models is conducted, ranging from semi-empirical relationships like the BPE model to more theoretically grounded approaches based on the thick-walled cylinder theory and the fictitious crack model. It is demonstrated that due to their dependence on specific experimental conditions and significant data scatter, these models often lack universal applicability. Particular attention is given to the classification and analysis of numerical models based on their level of detail. Macroscopic models, from simplified (SDOF, perfect bond model) to advanced approaches (layered section model with equivalent stiffness, models based on systems of differential equations), are evaluated in terms of computational efficiency and accuracy in accounting for the slip effect. Mesoscopic approaches that model reinforcement and concrete as separate bodies are discussed in detail, including models with spring and cohesive zone elements (CZM), frictional-cohesive zone models (FCZM), contact algorithms (1D Slide Line), and lattice models. The advantages and disadvantages of each method, from physical justification to computational complexity, are highlighted. Furthermore, the prospects of applying machine learning methods (e.g., NARX, SSA-ELM) for the rapid and accurate prediction of failure modes and bond-slip relationships are considered. The paper concludes that accounting for the bond-slip effect is critically important for the adequate modeling of the behavior of reinforced concrete structures, especially after the reinforcement reaches its yield point. The choice of a model should be based on a balance between the required accuracy and available resources. Finally, promising directions for future research are formulated, aimed at creating universal and computationally efficient numerical models.

Література:

References:

 

  1. Vembu Sh., Ammasi A.K. A Comprehensive Review on the Factors Affecting Bond Strength in Concrete //  Buildings. – 2023. – Vol. 13. – Iss. 3. – No. 577. – 27 p. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.11.063
  2. Zheng Y., Fan C., Ma J., Wang S. Review of research on Bond–Slip of reinforced concrete structures // Construction and Building Materials. – 2023. – Vol. 385. – No. 131437. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131437
  3. Khaksefidi S., Ghalehnovi M., Brito J. Bond behaviour of high-strength steel rebars in normal (NSC) and ultra-high performance concrete (UHPC) // Journal of Building Engineering. – 2021. – Vol. 33. – No. 101592. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101592
  4. Long X., Li H., Iyela P.M., Kang S. Predicting the bond stress–slip behavior of steel reinforcement in concrete under static and dynamic loadings by finite element, deep learning and analytical methods // Engineering Failure Analysis. – 2024. – Vol. 161. – No. 108312. – 35 p. DOI: 0.1016/j.engfailanal.2024.108312
  5. Lin H., Zhao Y., Ozbolt J., Feng P., Jiang C., Eligehausen R. Analytical model for the bond stress-slip relationship of deformed bars in normal strength concrete // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 198. – P. 570–586. DOI:  10.1016/j.conbuildmat.2018.11.258
  6. Shuang S., Xue Z. A numerical bond-slip model considering the effect of the lateral complex stress state // The 15th International Symposium on Structural Engineering (Oct, 24-27, 2018, Hangzhou, China). – 2018. – 11 p.
  7. Corres E., Muttoni A. Bond of steel reinforcement based on detailed measurements: Results and interpretations // Structural Concrete. – 2023. – Vol. 24. – P. 7173–7204. DOI: 10.1002/suco.202300324
  8. Yakovenko I.A., Dmytrenko Ye.А. Influence of Reinforcement Parameters on the Width of Crack Opening in Reinforced Concrete Structures // Achievements of Ukraine and EU countries in technological innovations and invention : monograph. – Riga: Baltija Publ. – P. 510–536. DOI: 10.30525/978-9934-26-254-8-18
  9. Valiukas D., Kaklauskas G., Sokolov A., Jakubovskis R. Features of bond-slip relations: 3D finite element analysis based on tests of short RC ties // Case Studies in Construction Materials.  – 2024. – Vol. 20. – No. e03387. – 19 p. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03387
  10. Dey A., Bado M.F., Kaklauskas G. Validation of reinforced concrete bond stress–slip models through an analytical strain distribution comparison // Materials and Structures. – 2022.  – Vol. 55. – No 240. – 16 p. DOI: 10.1617/s11527-022-02071-y
  11. Peng Q., Wu H., Jia P.C., Ma L.L., Fang Q. Numerical studies on rebar-concrete interactions of RC members under impact and explosion // Structures. – 2023. – Vol. 47. – P. 63–80. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.11.063
  12. Lee M., Kwak H.G. Blast and Impact Analyses of RC Beams Considering Bond-Slip Effect and Loading History of Constituent Materials // International Journal of Concrete Structures and Materials. – 2018. – Vol. 12. – No. 32. – 13 p. DOI: 10.1186/s40069-018-0244-9
  13. Kang S., Wang S., Long X., Wang D., Wang C. Investigation of dynamic bond-slip behaviour of reinforcing bars in concrete // Construction and Building Materials. – 2020. – Vol. 262. – No. 120824. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120824
  14. Shi Y., Li Z., Hao H. Bond slip modelling and its effect on numerical analysis of blast-induced responses of RC columns // Structural Engineering and Mechanics. – 2009. – Vol. 32. – No 2. – P. 251–267. DOI: 10.12989/sem.2009.32.2.251
  15. Mak W. T. M., Lees J. M. Bond strength and confinement in reinforced concrete // Construction and Building Materials. – 2022. – Vol. 355. – No. 129012. – 19 p. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129012
  16. Chang Y., Qin S., Huang M., Hu D., Yang H., Li S. Analytical model of the bond stress-slip relationship for reinforced concrete due to splitting failure // Construction and Building Materials. . – 2021. – Vol. 287. – No. 123025. DOI:  10.1016/j.conbuildmat.2021.123025
  17. Romashko O.V., Zhuravskyi V.M., Romashko O.D. Uzahalnena model zcheplennia armatury z betonom [Generalized model of bond reinforcement with concrete] //  Resource-saving materials, structures, buildings and structures. – 2019.  – Vol. 37. – P. 214–221. – Access mode: http://nbuv.gov.ua/UJRN/rmkbs_2019_37_28 (in Ukrainian)
  18. Corres E., Muttoni A. Local bond-slip model based on mechanical considerations / Engineering Structures. – 2024. – Vol. 314. – No. 1181190. – 19 p. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118190
  19. Galkovski T., Mata-Falcón J., Kaufmann W. Experimental investigation of bond and crack behaviour of reinforced concrete ties using distributed fibre optical sensing and digital image correlation // Engineering Structures. – 2023. – Vol. 292. – No. 116467. – 24 p. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116467
  20. Metelli G., Cairns J., Plizzari G. A new fib Model Code proposal for a beam-end type bond test // Structural Concrete. – 2023. – Vol. 24. – Iss. 4. – P. 4446–4463. DOI: 10.1002/suco.202300124
  21. Bado M.F., Casas J.R., Kaklauskas G. Distributed Sensing (DOFS) in Reinforced Concrete members for reinforcement strain monitoring, crack detection and bond-slip calculation // Engineering Structures. – 2021. – Vol. 226. – No 111385. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111385
  22. 22. Cairns J. Local bond–slip model for plain surface reinforcement // Structural  Concrete. – 2021. – Vol. 22. – P. 666–675. DOI: 10.1002/suco.202000114
  23. Gao X., Li N., Ren X. Analytic solution for the bond stress-slip relationship between rebar and concrete // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 197. – P. 385– 397. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.11.206
  24. Sae-Long, W., Limkatanyu S., Damrongwiriyanupap N., Sukontasukkul P., Phoo-Ngernkham, T., Imjai T., Keawsawasvong, S. Bond-Slip Model for Finite Element Analysis of Reinforced Recycled Aggregate Concrete Frames // Journal of  Applied and Computational Mechanics. – 2025. – Vol. 11. – Iss. 2. – P. 451–466. DOI: 10.22055/jacm.2024.46464.4532
  25. Yan F., Lin Z., Yang M. Bond mechanism and bond strength of GFRP bars to concrete: A review // Composites Part B: Engineering. – 2016. – Vol. 98. – P. 56–69. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.04.068
  26. Yakovenko I., Dmytrenko Y., Bakulina V.  Construction of Analytical Coupling Model in Reinforced Concrete Structures in the Presence of Discrete Cracks // Lecture Notes in Mechanical Engineering. – 2023. – P. 107–120. DOI: 10.1007/978-3-030-85057-9_10
  27. Abbas M., Bary B., Jason L. A 3D mesoscopic frictional cohesive zone model for the steel-concrete interface // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – Vol. 237. – No. 107819. – 50 p. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107819
  28. Mazumder M.H., Gilbert R.I. Finite element modelling of bond–slip at anchorages of reinforced concrete members subjected to bending // SN Applied Science. – 2019. – Vol. 1. – No 1332.  – 11 p. DOI: 10.1007/s42452-019-1368-5
  29. Mirhosseini R.T., Araghizadeh E., Rashidi S. Approximate Relationship for the Bond-Slip Using a Concrete Damage-Plastic Model // Advances in Materials Science and Engineering. – 2023. – No 1320192. – 15 p. DOI: 10.1155/2023/1320192
  30. Gu D., Mustafa S., Pan J., Luković M. Reinforcement-concrete bond in discrete modeling of structural concrete // Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering. – 2023.  – Vol. 38. – P 1324–1345. DOI: 10.1111/mice.12937
  31. Congcong F., Yuanxun Z., Yongchao W., Meng S. Classification and prediction of deformed steel and concrete bond-slip failure modes based on SSA-ELM model // Structures. – 2023. – Vol. 57. – No. 105131. – 16 p. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.105131
  32. Huang Y., Liu Y. Review of Bond-Slip Behavior between Rebar and UHPC: Analysis of the Proposed Models // Buildings. – 2023.  – Vol. 13. – No 1270. – 23 p. DOI: 10.3390/buildings13051270
  33. Koschemann M., Curbach M., Marx S. Bond behavior and crack propagation of reinforced concrete under long-term loading // 26th  International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (Transactions, SMiRT-26, Berlin/Potsdam, July 10-15, Germany). – 2022. – 10 p.
  34. RILEM, Essais portant sur l′adh´erence des armatures du b´eton - Essai par traction,Recommendation RILEM/CEB/FIP - RC6, Mat´ eriaux et Constructions. – 1978. –  Vol. 6.  – No. 32. – 188 p.
  35. ASTM. Standard Test Method for Comparing Bond Strength of Steel ReinforcingBars to Concrete Using Beam-End Specimens. A944-10. USA: ASTM. – 2015. – 4 p. DOI: 10.1520/A0944-10R15
  36. Kholmyanskyi M.M. Kontakt armatury z betonom: monograph [Contact of reinforcement with concrete]. – Moskow, Stroiyzdat Publ., 1981. – 184 p. (in Russian).
  37. Cruz J.S., Barros J. Modeling of bond between near-surface mounted CFRP laminate strips and concrete // Computers and Structures. – 2004. – No. 82. – 1513–1521.
  38. Tepfers R. A theory of bond applied to overlapped tensile reinforcement splices for deformed bars // Division of Concrete structures. – Goteborg: Chalmers University of Goteborg, 1973. – 328 p.
  39. Hugo B., Nuno C. Bond assessment between rebars embedded into a parent material using a single-function bond-slip model // Construction and Building Materials. – 2023. – Vol. 397. – No 132396.  – 21 p. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132396
  40. Xiaoyong Lv, Zhiwu Yu, Zhi Shan. ). Bond stress-slip model for rebar-concrete interface under monotonic and cyclic loading // Structures. – 2021.  – Vol. 34. – P. 498–506. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.07.093
  41. Shima H. Chou L., Okamura H. Micro and Macro Models for Bond in Reinforced Concrete // Journal of the Faculty of Engineering: University of Tokyo.  – 1987. – Vol. XXXIX. – No. 2. – P. 133–194.
  42. Balázs G.L. Connecting Reinforcement to Concrete by Bond // Beton  und Stahlbetonbau. – 2007. – No.102. – P. 46–50.
  43. Kolchunov V. I., Yakovenko I.A., Dmitrenko E.A. Konechno-elementnie ploskie modeli nelineinoi zadachi stsepleniya armaturi s betonom, ikh sravnenie i analiz [Finite element plane models of the nonlinear problem of bond reinforcement to concrete, their comparison and analysis] // Collected scientific works of Ukrainian State University of Railway Transport. – 2016. –  Vol. 165.  – P. 240–259.  DOI: 10.18664/1994-7852.165.2016.87885
  44. Kolchunov V. I., Yakovenko I.A., Dmitrenko E.A. The analytical core model formation of the nonlinear problem bond armature with concrete // Academic journal. Industrial Machine Building, Civil Engineering. – 2016. –  Vol. 47.  – Iss. 2. – P. 125–132. – Access mode: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Znpgmb_2016_2_17
  45. Hugo B. Experimental and numerical evaluations of the bond behaviour between ribbed steel rebars and concrete // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2023. – Vol. 23. – No 159.  – 33 p. DOI: 10.1007/s43452-023-00704-9
  46. Tvergaard V. Cohesive zone representations of failure between elastic or rigid solids and ductile solids // Engineering Fracture Mechanics. – 2003. – Vol. 70. – P. 1859–1868. DOI: 10.1016/S0013-7944(03)00128-0
  47. Wu T., Wriggers P. Multiscale diffusion–thermal–mechanical cohesive zone model for concrete // Computational Mechanics. – 2015. – Vol. 55. – P. 999–1016. DOI: 10.1007/s00466-015-1149-y
  48. Ma S., Sun J., Xu T. Numerical Analysis of Shear Contribution of CFRP-Strengthened RC Beams by Different Bond-Slip Models // International Journal of Concrete Structures and Materials. – 2025. – Vol. 19. – No. 4. – 15 p. DOI: 10.1186/s40069-024-00728-2
  49. Mousavi S.S., Mousavi Ajarostaghi S.S., Bhojaraju C. A critical review of the effect of concrete composition on rebar–concrete interface (RCI) bond strength: A case study of nanoparticles // SN Applied Science. – 2020. – Vol. 2. – No 893.  – 23 p. DOI: 10.1007/s42452-020-2681-8
  50. Liu M., Jin L., Chen F., Zhang R., Du X. 3D meso-scale modelling of the bonding failure between corroded ribbed steel bar and concrete // Engineering Structures. – 2022. – Vol. 256. – No 113939. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.113939
  51. Hossain K.M. Anwar. Bond characteristics of plain and deformed bars in lightweight pumice concrete // Construction and Building Materials. – 2008. – Vol. 22. – P. 1491–1499. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2007.03.025
  52. Long X., Wang C., Zhao P., Kang S. Bond strength of steel reinforcement under different loading rates // Construction and Building Materials. – 2020. – Vol. 238. – No. 117749. DOI:  10.1016/j.conbuildmat.2019.117749
  53. Emelyanov S., Nemchinov Y., Kolchunov V., Yakovenko I. Details of large-panel buildings seismic analysis // Enfoque UTE. – 2016. – Vol. 7(2). –P. 120 – 134. DOI: 10.29019/enfoqueute.v7n2.100