This paper presents numerical modeling of the structural behavior of CFRP (carbon fiber reinforced polymer) strengthened RC (reinforced concrete) beams under four-point bending. Simulation of debonding at the CFRP-concrete interface was focused, as it is the main failure mode of CFRP strengthened RC beams. Here, cohesive layer was employed to model the onset of debonding, which further helps to describe the post debonding behavior of the CFRP strengthened RC beam. In addition, the XFEM approach was applied to investigate the effects of crack localization on strain field on CFRP sheet and rebar. The strains obtained from the XFEM correlate better to the test results than that from CDP (concrete damaged plasticity) model. However, there is a large discrepancy between the experimental and simulated loaddisplacement relationships, which is due to the simplification of concrete constitutive law.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.4D
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pp.387-393
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2010
This paper studies static crack growth of asphalt pavement using the extended finite element method (XFEM). To consider nonlinear characteristics of asphalt concrete, a viscoelastic constitutive equation using the Maxwell chain is used. And a linear cohesive crack model is used to regularize the crack. Instead of constructing the viscoelastic constitutive law from the Prony approximation of compliance and retardation time measured experimentally, we use a smooth log-power function which optimally fits experimental data and is infinitely differentiable. The partial moduli of the Maxwell chain from the log-power function make analysis easy because they change more smoothly in a more stable way than the ordinary method such as the least square method. Using the developed method, we can simulates the static crack growth test results satisfactorily.
In this study, 3D Meso-scale finite-element model is presented to study the mechanical behavior of steel microfiber-reinforced polymer concrete considering the random distribution of fibers in the matrix. The composite comprises two separate parts which are the polymer composite and steel microfibers. The polymer composite is assumed to be homogeneous, which its mechanical properties are measured by performing experimental tests. The steel microfiber-polymer bonding is simulated with the Cohesive Zone Model (CZM) to offer more-realistic assumptions. The CZM parameters are obtained by calibrating the numerical model using the results of the experimental pullout tests on an individual microfiber. The accuracy of the results is validated by comparing the obtained results with the corresponding values attained from testing the steel microfiber-reinforced polymer concrete incorporating 0, 1 and 2% by volume of microfibers, which indicates the excellent accuracy of the current proposed model. The results show that the microfiber aspect ratio has a considerable effect on the mechanical properties of the reinforced polymer concrete. Applying microfibers with a higher aspect ratio improves the mechanical properties of the composite considerably especially when the first crack appears in the polymer concrete specimens.
This study experimentally and numerically investigated the tensile damage progress in stitched laminates. In particular, it focused on the effects of stitching on the damage progress. First, we experimentally confirmed that ply cracks and delamination appeared under load regardless of stitching. We then performed damage-extension simulation for stitched laminates using a layer-wise finite element model with stitch threads as beam elements, in which the damage (ply cracks and delamination) was represented by cohesive elements. A detailed comparison between observation and the simulated results confirmed that stitching had little effect on the onset and accumulation of ply cracks. Furthermore, we demonstrated that the stitch threads significantly suppressed the extension of the delamination.
Our objective is to model static multi-cracking processes in concrete. The explicit dynamic relaxation (DR) method, which gives the solutions of non-linear static problems on the basis of the steady-state conditions of a critically damped explicit transient solution, is chosen to deal with the high geometric and material non-linearities stemming from such a complex fracture problem. One of the common difficulties of the DR method is its slow convergence rate when non-monotonic spectral response is involved. A modified concept that is distinct from the standard DR method is introduced to tackle this problem. The methodology is validated against the stable three point bending test on notched concrete beams of different sizes. The simulations accurately predict the experimental load-displacement curves. The size effect is caught naturally as a result of the calculation. Micro-cracking and non-uniform crack propagation across the fracture surface also come out directly from the 3D simulations.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.10
no.2
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pp.163-175
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2016
This paper presents a revised procedure for computation of double-K fracture parameters of concrete split-tension cube specimen using weight function of the centrally cracked plate of finite strip with a finite width. This is an improvement over the previous work of the authors in which the determination of double-K fracture parameters of concrete for split-tension cube test using weight function of the centrally cracked plate of infinite strip with a finite width was presented. In a recent research, it was pointed out that there are great differences between a finite strip and an infinite strip regarding their weight function and the solution of infinite strip can be utilized in the split-tension specimens when the notch size is very small. In the present work, improved version of LEFM formulas for stress intensity factor, crack mouth opening displacement and crack opening displacement profile presented in the recent research work are incorporated. The results of the double-K fracture parameters obtained using revised procedure and the previous work of the authors is compared. The double-K fracture parameters of split-tension cube specimen are also compared with those obtained for standard three point bend test specimen. The input data required for determining double-K fracture parameters for both the specimen geometries for laboratory size specimens are obtained using well known version of the Fictitious Crack Model.
In order to study the triaxial mechanical behavior of steel fiber reinforced high performance concrete (SFRHPC), the standard triaxial compression tests with four different confining pressures are performed on the cylindrical specimens. Three different steel fiber volumes (0, 1% and 2%) are added in the specimens with diameter of 50 mm and height of 100 mm. Test results show that the triaxial compressive strength and peak strain increase with the increasing of fiber content at the same confining pressure. At the same steel fiber content, the triaxial compressive strength and peak strain increases with the confining pressure. The compressive strength growth rate declines as the confining pressure and steel fiber content increases. Longitudinal cracks are dominant in specimens with or without steel fiber under uniaxial compression loading. While with the confining pressure increases, diagonal crack due to shear is obvious. The Mohr-Coulomb criterion is illustrated can be used to describe the failure behavior, and the cohesive force increases as steel fiber content increases. Finally, the numerical model is built by using the PFC3D software. In the numerical model a index is introduced to reflect the effect of steel fiber content on the triaxial compressive behavior. The simulating stress-strain curve and failure mode of SFRHPC are agree well with the experimental results.
Lightweight concrete is a superior material due to its light weight and high strength. There however remain significant lacunae in engineering knowledge with regards to shear failure of lightweight fiber reinforced concrete beams. The main aim of the present study is to investigate the optimum usage of steel fibers in lightweight fiber reinforced concrete (LWFRC). Multi-scale finite element model calibrated with experimental results is developed to study the effect of steel fibers on the mechanical properties of LWFRC beams. To decrease the amount of steel fibers, it is preferred to reinforce only the middle section of the LWFRC beams, where the flexural stresses are higher. For numerical simulation, a multi-scale finite element model was developed. The cement matrix was modeled as homogeneous and uniform material and both steel fibers and lightweight coarse aggregates were randomly distributed within the matrix. Considering more realistic assumptions, the bonding between fibers and cement matrix was considered with the Cohesive Zone Model (CZM) and its parameters were determined using the model update method. Furthermore, conformity of Load-Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) curves obtained from numerical modeling and experimental test results of notched beams under center-point loading tests were investigated. Validating the finite element model results with experimental tests, the effects of fibers' volume fraction, and the length of the reinforced middle section, on flexural and residual strengths of LWFRC, were studied. Results indicate that using steel fibers in a specified length of the concrete beam with high flexural stresses, and considerable savings can be achieved in using steel fibers. Reducing the length of the reinforced middle section from 50 to 30 cm in specimens containing 10 kg/m3 of steel fibers, resulting in a considerable decrease of the used steel fibers by four times, whereas only a 7% reduction in bearing capacity was observed. Therefore, determining an appropriate length of the reinforced middle section is an essential parameter in reducing fibers, usage leading to more affordable construction costs.
Rahmani, Mohammad;Kim, Yong-Rak;Park, Yong Boo;Jung, Jong Suk
Land and Housing Review
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v.11
no.2
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pp.95-104
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2020
This study aims to explore a purely mechanistic pavement analysis approach where viscoelasticity and fracture of asphalt mixtures are considered to accurately predict deformation and damage behavior of flexible pavements. To do so, the viscoelastic and fracture properties of designated pavement materials are obtained through experiments and a fully mechanistic damage analysis is carried out using a finite element method (FEM). While modeling crack development can be done in various ways, this study uses the cohesive zone approach, which is a well-known fracture mechanics approach to efficiently model crack initiation and propagation. Different pavement configurations and traffic loads are considered based on three main functional classes of roads suggested by FHWA i.e., arterial, collector and local. For each road type, three different material combinations for asphalt concrete (AC) and base layers are considered to study damage behavior of pavement. A concept of the approach is presented and a case study where three different material combinations for AC and base layers are considered is exemplified to investigate progressive damage behavior of pavements when mixture properties and layer configurations were altered. Overall, it can be concluded that mechanistic pavement modeling attempted in this study could differentiate the performance of pavement sections due to varying design inputs. The promising results, although limited yet to be considered a fully practical method, infer that a few mixture tests can be integrated with the finite element modeling of the mixture tests and subsequent structural modeling of pavements to better design mixtures and pavements in a purely mechanistic manner.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.6
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pp.527-532
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2009
In this paper simulations for the impact into ceramics and/or metal materials have been discussed. To model discrete nature for fracture and damage of brittle materials, we implemented cohesive-law fracture model with a node separation algorithm for the tensile failure and Mohr-Coulomb model for the compressive loading. The drawback of this scheme is that it requires a heavy computational time. This is because new nodes are generated continuously whenever a new crack surface is created. In order to reduce the amount of calculation, parallelization with MPI library has been implemented. For the high-speed impact problems, the mesh configuration and contact calculation changes continuously as time step advances and it causes unbalance of computational load of each processor. Dynamic load balancing technique which re-allocates the loading dynamically is used to achieve good parallel performance. Some impact problems have been simulated and the parallel performance and accuracy of the solutions are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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