Meshfree methods are known to have the capability to overcome the strict regularization requirements and numerical instabilities that encumber the finite element method (FEM) in large deformation problems. They are also more naturally suited for problems involving material perforation and fragmentation. To take advantage of the high efficiency of FEM and high accuracy of meshfree methods, a coupled finite element (FE) and reproducing kernel (RK, one of the meshfree approximations) formulation is described in this paper. The coupling of FE and RK approximation is implemented in an evolutionary fashion, where the extent and location of the evolution is dependent on a triggering criteria provided by the material constitutive laws. To enhance computational efficiency, Gauss quadrature is applied to integrate both FE and RK domains so that no state variable transfer is required when mesh conversion is performed. To control the hourglassing that might occur with 1-point integrated hexahedral grids, viscous type hourglass control is implemented. Meanwhile, the FEM version of the K&C concrete (KCC) model was modified to make it applicable in both FE and RK formulations. Results using this code and the KCC model are shown for the modeling of concrete responses under quasi-static, blast and impact loadings. These analyses demonstrate that fragmentation phenomena of the sort commonly observed under blast and impact loadings of concrete structures was able to be realistically captured by the coupled formulation.
It was clear from the former researches on reinforced concrete filled tubular steel (RCFT) structures that RCFT structures have different performance than concrete filled steel tubular (CFT) structures. However, despite of that, load-sharing ratio of RCFT is evaluating by the formula and range of CFT given by JSCE. Therefore, the aim of this investigation is to study the load-sharing ratio of RCFT columns subjected to axial compressive load by performing numerical simulations of RCFT columns with the nonlinear finite element analysis (FEA) program - ADINA. To achieve this goal, firstly proper material constitutive models for concrete, steel tube and reinforcement are proposed. Then axial compression tests of concrete, RC, CFT, and RCFT columns are carried out to verify proposed material constitutive models. Finally, by the plenty of numerical analysis with small-sized and big-sized columns, load-sharing ratio of RCFT columns was studied, the evaluation formulas and range were proposed, application of the formula was demonstrated, and following conclusions were drawn: The FEA model introduced in this paper can be applied to nonlinear analysis of RCFT columns with reliable results; the load-sharing ratio evaluation formula and range of CFT should not be applied to RCFT; The lower limit for the range of load-sharing ratio of RCFT can be smaller than that of CFT; the proposed formulas for load-sharing ratio of RCFT have practical mean in design of RCFT columns.
The behavior of steel-concrete composite beams is strongly influenced by the type of shear connection between the steel beam and the concrete slab. For accurate analytical predictions, the structural model must account for the interlayer slip between these two components. This paper focuses on a procedure for response sensitivity analysis using state-of-the-art finite elements for composite beams with deformable shear connection. Monotonic and cyclic loading cases are considered. Realistic cyclic uniaxial constitutive laws are adopted for the steel and concrete materials as well as for the shear connection. The finite element response sensitivity analysis is performed according to the Direct Differentiation Method (DDM); its analytical derivation and computer implementation are validated through Forward Finite Difference (FFD) analysis. Sensitivity analysis results are used to gain insight into the effect and relative importance of the various material parameters in regards to the nonlinear monotonic and cyclic response of continuous composite beams, which are commonly used in bridge construction.
The purpose of this paper is to investigate the hygrothermal effects on the behavior of reinforced-concrete beams strengthened by bonded composite laminate plates (${\theta}n/90m)s$. This work is based on a simple theoretical model to estimate the interfacial stresses developed between the concrete beam and the composite with taking into account the hygrothermal effect. Fibre orientation angle effects of number of $90^{\circ}$ layers and effects of plate thickness and length on the distributions of interfacial stress in the concrete beams reinforced with composite plates have also been studied.
This study presents a macro-modeling procedure for nonlinear finite element analysis of reinforced and prestressed concrete panels under blast loading. The analysis procedure treats cracked concrete as an orthotropic material based on a smeared rotating crack model within the context of total-load secant stiffness-based formulation. A direct time integration method compatible with the analysis formulation is adapted to solve the dynamic equation of motion. Considerations are made to account for strain rate effects. The analysis procedure is verified by modeling 14 blast tests from various sources reported in the literature including a blast simulation contest. The analysis results are compared against those obtained from experiments, simplified single-degree-of-freedom (SDOF) methods, and sophisticated hydrocodes. It is demonstrated that the smeared crack macro-modeling approach is a viable alternative analysis procedure that gives more information about the structural behavior than SDOF methods, but does not require detailed micro-modeling and extensive material characterization typically needed with hydrocodes.
This paper presents a method using artificial neural networks (ANNs) to predict the residual moment capacity of thermally insulated reinforced concrete (RC) beams exposed to fire. The use of heat resistant insulation material protects concrete beams against the harmful effects of fire. If it is desired to calculate the residual moment capacity of the beams in this state, the determination of the moment capacity of thermally insulated beams exposed to fire involves several consecutive calculations, which is significantly easier when ANNs are used. Beam width, beam effective depth, fire duration, concrete compressive and steel tensile strength, steel area, thermal conductivity of insulation material can influence behavior of RC beams exposed to high temperatures. In this study, a finite difference method was used to calculate the temperature distribution in a cross section of the beam, and temperature distribution, reduction mechanical properties of concrete and reinforcing steel and moment capacity were calculated using existing relations in literature. Data was generated for 336 beams with different beam width ($b_w$), beam account height (h), fire duration (t), mechanical properties of concrete ($f_{cd}$) and reinforcing steel ($f_{yd}$), steel area ($A_s$), insulation material thermal conductivity (kinsulation). Five input parameters ($b_w$, h, $f_{cd}$, $f_{yd}$, $A_s$ and $k_{insulation}$) were used in the ANN to estimate the moment capacity ($M_r$). The trained model allowed the investigation of the effects on the moment capacity of the insulation material and the results indicated that the use of insulation materials with the smallest value of the thermal conductivities used in calculations is effective in protecting the RC beam against fire.
Although a critical section reaches its flexural strength in reinforced concrete structures, the structure does not always fail because moment redistribution occurs during the formation of plastic hinges. Inelastic deformation in a plastic hinge region results in plastic rotation. A plastic hinge mainly depends on material characteristics. In this study, a plastic hinge length and plastic rotation are evaluated using the flexural curvature distribution which is derived from the material models given in Eurocode 2. The influence on plastic capacity the limit values of the material model used, that is, ultimate strain of concrete and steel and hardening ratio of steel(k), are investigated. As results, it is appeared that a large ultimate strain of concrete and steel is resulting in large plastic capactiy and also as a hardening ratio of steel increases, the plastic rotation increases significantly. Therefore, a careful attention would be paid to determine the limit values of material characteristics in the RC structures.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.11a
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pp.101-104
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2008
Recently, the serious damage by earthquakes is increased around the world. SOC fo city is established to minimize the loss of lives and assets by earthquakes, which an objective standard is required. Generally, bridges damage by earthquakes occurred the inelastic hinge under the column. Nonlinear element model of inelastic hinge have been used to Bilinear model, but Takeda model for material characterization of concrete is a little. In this study, railway bridge was performed seismic fragility analysis for Takeda model and Bilinear model comparatively. This analysis shows that damage probability of Takeda model is larger than Bilinear model. And analysis of Takeda model in longitudinal direction and transverse direction are different. Therefore developed analysis for concrete column of bridge is expected to apply to material characterization.
Kim Tae-Hoon;Kim Woon-Hak;Lee Kwang-Myong;Shin Hyun-Mock
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.16
no.3
s.81
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pp.441-450
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2004
The objectives of this study are to investigate the seismic behavior of reinforced concrete bridge columns and to provide the data for developing improved seismic design criteria. The accuracy and objectivity of the assessment process can be enhanced by the use of sophisticated nonlinear finite element analysis program. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The low-cycle fatigue damage of both concrete and reinforcing bars has been also considered in order to predict a reliable seismic behavior. The proposed numerical method for the prediction of seismic behavior of reinforced concrete bridge columns is verified by comparison with the reliable experimental results.
Kh., Hind M.;Ozakca, Mustafa;Ekmekyapar, Talha;Kh., Abdolbaqi M.
Computers and Concrete
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v.18
no.5
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pp.999-1018
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2016
Enhanced tensile properties of fiber reinforced concrete make it suitable for strengthening of reinforced concrete elements due to their superior corrosion resistance and high tensile strength properties. Recently, the use of fibers as strengthening material has increased motivating the development of numerical tools for the design of this type of intervention technique. This paper presents numerical analysis results carried out on a set of concrete beams reinforced with short fibers. To this purpose, a database of experimental results was collected from an available literature. A reliable and simple three-dimensional Finite Element (FE) model was defined. The linear and nonlinear behavior of all materials was adequately modeled by employing appropriate constitutive laws in the numerical simulations. To simulate the fiber reinforced concrete cracking tensile behavior an approach grounded on the solid basis of micromechanics was used. The results reveal that the developed models can accurately capture the performance and predict the load-carrying capacity of such reinforced concrete members. Furthermore, a parametric study is conducted using the validated models to investigate the effect of fiber material type, fiber volume fraction, and concrete compressive strength on the performance of concrete beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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