Today, the modeling of concrete as a material within finite element simulations is predominantly done through nonlinear material models of concrete. In current sophisticated computational systems, there are a number of complex concrete material models which are based on theory of plasticity, damage mechanics, linear or nonlinear fracture mechanics or combinations of those theories. These models often include very complex constitutive relations which are suitable for the modeling of practically any continuum mechanics tasks. However, the usability of these models is very often limited by their parameters, whose values must be defined for the proper realization of appropriate constitutive relations. Determination of the material parameter values is very complicated in most material models. This is mainly due to the non-physical nature of most parameters, and also the large number of them that are frequently involved. In such cases, the designer cannot make practical use of the models without having to employ the complex inverse parameter identification process. In continuum mechanics, however, there are also constitutive relations that require the definition of a relatively small number of parameters which are predominantly of a physical nature and which describe the behavior of concrete very well within a particular task. This paper presents an example of such constitutive relations which have the potential for implementation and application in finite element systems. Specifically, constitutive relations for modeling the plane stress state of concrete are presented and subsequently tested and evaluated in this paper. The relations are based on the incremental theory of elastic strain-hardening plasticity in which a non-associated flow rule is used. The calculation result for the case of concrete under uniaxial compression is compared with the experimental data for the purpose of the validation of the constitutive relations used.
Kim, Yun-Jae;Huh, Nam-Su;Kim, Young-Jin;Choi, Young-Hwan;Yang, Jun-Seok
Proceedings of the KSME Conference
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2003.04a
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pp.170-177
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2003
This paper proposes a robust method for the Ramberg-Osgood (R-O) fit to accurately estimate elastic-plastic J from engineering fracture mechanics analysis based on deformation plasticity. The proposal is based on engineering stress-strain data to determine the R-O parameters, instead of true stress-strain data. Moreover, for practical applications, the method is given not only for the case when full stress-strain data are available but also for the case when only yield and tensile strengths are available. Reliability of the proposed method for the R-O fit is validated against detailed 3-D Finite Element (FE) analyses for circumferential through-wall cracked pipes under global bending using five different materials, three stainless steels and two ferritic steels. Taking the FE J results based on incremental plasticity using actual stress-strain data as reference, the FE J results based on deformation plasticity using various R-O fits are compared with reference J values. Comparisons show that the proposed R-O fit provides more accurate J values for all cases, compared to existing methods for the R-O fit. Advantages of the proposed R-O fit in practical applications are discussed, together with its accuracy.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.9
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pp.1571-1578
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2003
This paper proposes a robust method for the Ramberg-Osgood(R-O)fit to accurately estimate elastic-plastic J from engineering fracture mechanics analysis based on deformation plasticity. The proposal is based on engineering stress-strain data to determine the R-O parameters, instead of true stress-strain data. Moreover, for practical applications, the method is given not only for the case when full stress-strain data are available but also for the case when only yield and tensile strengths are available. Reliability of the proposed method for the R-O fit is validated against detailed 3-D Finite Element (FE) analyses for circumferential through-wall cracked pipes under global bending using five different materials, three stainless steels and two ferritic steels. Taking the FE J results based on incremental plasticity using actual stress-strain data as reference, the FE J results based on deformation plasticity using various R-O fits are compared with reference J values. Comparisons show that the proposed R-O fit provides more accurate J values for all cases, compared to existing methods for the R-O fit. Advantages of the proposed R-O fit in practical applications are discussed, together with its accuracy.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.8
no.5
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pp.425-434
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1984
The concept of intermittent interlaminar bonding is investigated as a means of improving the fracture toughness of cross-ply Gr/Ep composites without significant loss of tensile strength and modulus. The concept of linear elastic fracture mechanics(LEFM)is used to study the effects of strong bonded area and bonding composites. The experimental results indicate that the fracture toughness and notch strength of intermittent interlaminar bonded composities are improved and the tensile strength only decreased by 3-8% in comparison to those of the fully bonded composites. Damage zones around the crack tip are detected by the modified X-Ray non-destructive testing technique and the fractography. The improvement of toughness is explained based on the damage zones. The mechanisms of damage zone are shown to be caused by subcrack along the fiber on the 0.deg. ply, matrix cracking along the fiber on the 90.deg. ply, interlaminar delamination, and ply pull-out of the 0.deg. ply.
The paper presents quasi-static plane strain FE-simulations of strain localization in reinforced concrete beams without stirrups. The material was modeled with two different isotropic continuum crack models: an elasto-plastic and a damage one. In case of elasto-plasticity, linear Drucker-Prager criterion with a non-associated flow rule was defined in the compressive regime and a Rankine criterion with an associated flow rule was adopted in the tensile regime. In the case of a damage model, the degradation of the material due to micro-cracking was described with a single scalar damage parameter. To ensure the mesh-independence and to capture size effects, both criteria were enhanced in a softening regime by nonlocal terms. Thus, a characteristic length of micro-structure was included. The effect of a characteristic length, reinforcement ratio, bond-slip stiffness, fracture energy and beam size on strain localization was investigated. The numerical results with reinforced concrete beams were quantitatively compared with corresponding laboratory tests by Walraven (1978).
In this study, the deformation characteristics of atrtificially fractured joints of granite under normal and shear loading were investigated. To obtain the characteristics of joint deformation, compression and shear tests were performed in the laboratory on three different sizes of rock specimens. The rock used in the experimens was Iksan granite. Joints were produced artificially by fracturing using the apparatus for generating extension-joint. Joint normal deformability was studied by conducting cyclic loading tests on the joints. Joint closure varied non-linearly with normal stress through cyclic loadings. As normal stress increased, the joints gradually reached a state of maximum joint closure. The relation between normal stress and joint closure for mated and unmated joints was well described by the hyperbolic and exponential function, respectively. Joint shear deformability was studied by performing direct shear tests under normal stresses on the joints. it was shown that the behaviour in the prepeak range was non-linear and joint shear stiffness depended on the size of specimen and the normal stress.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.6
no.3
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pp.197-203
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1982
The fatigue crack propagation behavior or non-heat-treatment and thermally aged type 304 stainless steel was investigated on the basis of linear elastic fracture mechanics. This Study was concentrated on the relations between the crack propagation rate and the stress intensity factor range. The following results are obtained : The precision measurement and observation of fatigue crack propagation behavior is studied with moire grating. The effect of thermally aged type 304 stainless steel is investigated under small load. In the equation da/dN=c(.DELTA. k)/SUP m/, factor m of thermally aged steel is a little higher than non-heat-treatmented steel and its limit is m=1.35-4.2.
Not all loads contribute to fatigue crack propagation in the welded detail of steel bridges when they are subjected to variable amplitude loading. For fatigue assessment, therefore, non-contributing stress cycles should be truncated. However, stress range truncation is not considered during typical fatigue reliability assessment. When applying the first order reliability method, stress range truncation occurs mismatch between the expected number of cycles to failure and the number of cycles obtained at the time of evaluation, because the expected number of cycles only counts the stress cycles that contribute to fatigue crack growth. Herein, we introduce a calibration factor to coordinate the expected number of cycles to failure to the equivalent value which includes both contributing and non-contributing stress cycles. The effectiveness of stress range truncation and the proposed calibration factor was validated via case studies.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.3
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pp.624-635
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1990
Analytical study based on linear fracture mechanics was conducted on propagation behavior of inclined surface crack in semi-infinite elastic body. The analytical model was assumed to be inclined surface crack under plane strain condition upon which Hertzian stress was superimposed. Supposing continuous distribution of dislocation and applying Erdogan-Gupta's method to this crack problem, the stress intensity factors $K_{I}$ and $K_{II}$) at the crack-tip were obtained for various Hertzian contact positions. Analytic results have shown that driving force for crack growth is $K_{I}$ for non-lubricated condition and $K_{II}$ for fluid and boundary lubricated condition. The coefficient of friction at the hertzian contact and crack surfaces plays an important role in predicting the direction of crack propagation. It is also found that the maximum effective stress intensity factor exists at cracks of a certain specific length depending on lubricated condition.ion.n.
The effect of structure size on the nominal strength of unidirectional fiber-polymer composites, failing by propagation of a kink band with fiber microbuckling, is analyzed experimentally and theoretically. Tests of novel geometrically similar carbon-PEEK specimens, with notches slanted so as to lead to a pure kink band (without shear or splitting cracks), are conducted. The specimens are rectangular strips of widths 15.875, 31.75. and 63.5 mm (0.625, 1.25 and 2.5 in and gage lengths 39.7, 79.375 and 158.75 mm (1.563, 3.125 and 6.25 in.). They reveal the existence of a strong (deterministic. non-statistical) size effect. The doubly logarithmic plot of the nominal strength (load divided by size and thickness) versus the characteristic size agrees with the approximate size effect law proposed for quasibrittle failures in 1983 by Bazant This law represents a gradual transition from a horizontal asymptote, representing the case of no size effect (characteristic of plasticity or strength criteria), to an asymptote of slope -1/2 (characteristic of linear elastic fracture mechanics. LEFM) . The size effect law for notched specimens permits easy identification of the fracture energy of the kink bandand the length of the fracture process zone at the front of the band solely from the measurements of maximum loads. Optimum fits of the test results by the size effect law are obtained, and the size effect law parameters are then used to identify the material fracture characteristics, Particularly the fracture energy and the effective length of the fracture process zone. The results suggest that composite size effect must be considered in strengthening existing concrete structural members such as bridge columns and beams using a composite retrofitting technique.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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