This study investigates the ultimate behavior of reinforced concrete beams by means of practical nonlinear finite element (FE) analyses. Uniaxial constitutive models for the concrete and steel material are selected in this study. The adopted material model is integrated into the ABAQUS fiber beam elements through a user-defined material subroutine (UMAT). Within a developed nonlinear finite element framework, the FE results have been compared to experimental results reported by other researchers. It has been found that the proposed finite element model is capable of predicting the initial cracking load level, the yield load, the ultimate load, and the crack distribution with acceptable accuracy.
In this paper, a mathematical framework based on a homogenisation technique to simulate 'umbrella arch reinforcement system' (UARS) and its implementation into a 3D Finite Element program that can consider stage construction situations are presented. The constitutive model developed allows considering the main design parameters of the problem and only requires geometrical and mechanical properties of the constituents. Additionally, the use of a homogenisation approach implies that the generation of the Finite Element mesh can be easily produced and that re-meshing is not required as basic geometrical parameters such as the orientation of the pipes are changed. The model developed is used to simulate tunnelling with the UARS. From the analyses, the effects of the main design parameters on the elastic and the elastoplastic analyses are considered.
A study on the undrained behavior of isotropically consolidated clay-sand mixtures was carried out using the automated triaxial testing apparatus. Overconsolidated ratio, effective mean pressure and clay content( up to 20% bentonite) were the factors varied in the experimental investigation. Undrained behavior(strength and pore water pressure generation during shear in triaxial loading) depends upon overconsolidation ratio, confining pressure and clay content. Significant changes in undrained compression characteristics occurred at around 20% of clay contents in the sand. The test results were analyzed and their behaviors were interpreted within the framework of plasticity constitutive model for clay-sand mixtures. Possible physical bases for the proposed forms are discussed. Validation of the applied model using the laboratory results is also given.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.10
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pp.1057-1068
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2014
This paper proposes elastic-plastic constitutive relations for a composite material with two phases-inclusion and matrix phases-using a homogenization scheme. A thermodynamic framework is employed to develop non-local plasticity constitutive relations, which are specifically represented in terms of the second-order gradient terms of the internal state variables. A combined two back-stress evolution equation is also established and the degradation of the state and internal variables is expressed by continuum damage mechanics in terms of the damage factor. Then, deformation localization is analyzed; the analysis results show that the proposed model yields a wide range of shear band formation behaviors depending on the evolution of the specific internal state variables. The analysis results also show good agreement with the results of simplified Rice instability analyses.
In this work, the safety performance of a commercial motorcycle helmet already placed on the market is assessed. The assessed motorcycle helmet is currently homologated by several relevant motorcycle standards. Impacts including translational and rotational motions are accurately simulated through a finite element numerical framework. The developed model was validated against experimental results: firstly, a validation concerning the constitutive model for the expanded polystyrene, the material responsible for energy absorption during impact; secondly, a validation regarding the acceleration measured at the headform's centre of gravity during the linear impacts defined in the ECE R22.05 standard. Both were successfully validated. After model validation, an oblique impact was simulated and the results were compared against head injury thresholds in order to predict the resultant head injuries. From this comparison, it was concluded that brain injuries such as concussion and diffuse axonal injury may occur even with a helmet certified by the majority of the motorcycle helmet standards. Unfortunately, these standards currently do not contemplate rotational components of acceleration. Conclusion points out to a strong recommendation on the necessity of including rotational motion in forthcoming motorcycle helmet standards and improving the current test procedures and head injury criteria used by the standards, to improve the safety between the motorcyclists.
The predictive utility of a damage model depends heavily on its particular choice of a damage variable, which serves as a macroscopic approximation in describing the underlying micromechanical processes of microdefects. In the case of spatially perfectly randomly distributed microcracks or microvoids in all directions, isotropic damage model is an appropriate choice, and scalar damage variables were widely used for isotropic or one-dimensional phenomenological damage models. The simplicity of a scalar damage representation is indeed very attractive. However, a scalar damage model is of somewhat limited use in practice. In order to entirely characterize the isotropic damage behaviors of damaged materials in multidimensional space, a system theory of isotropic double scalar damage variables, including the expressions of specific damage energy release rate, the coupled constitutive equations corresponding to damage, the conditions of admissibility for two scalar damage effective tensors within the framework of the thermodynamics of irreversible processes, was provided and analyzed in this study. Compared with the former studies, the theoretical formulations of double scalar damage variables in this study are given in the form of matrix, which has many features such as simpleness, directness, convenience and programmable characteristics. It is worth mentioning that the above-mentioned theoretical formulations are only logically reasonable. Owing to the limitations of time, conditions, funds, etc. they should be subject to multifaceted experiments before their innovative significance can be fully verified. The current level of research can be regarded as an exploratory attempt in this field.
A model of solid-water-air coupling in triphasic mixture is compared to that of solid-water coupling in biphasic mixture with an application to partially saturated soils. Based on thermodynamics, the mathematical framework governing the behavior of a partially saturated soil is derived by using balance equations, and numerical implementation through drainage experiment of a sand column is carried out to validate the obtained formulations. The role of the air phase in the hydro-mechanical behavior of triphasic mixture can be analyzed from the interaction among phases and from the solid skeleton's constitutive behavior, and the three-phase model found applications in geotechnical engineering problems, such as $CO_2$ sequestration and air storage in an aquifer.
Krishna, B. Murali;Reddy, V. Guru Prathap;Tadepalli, T.;Kumar, P. Rathish;Lahir, Yerra
Computers and Concrete
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v.24
no.6
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pp.561-570
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2019
Understanding the realistic behavior of concrete up to failure under different loading conditions within the framework of damage mechanics and plasticity would lead to an enhanced design of concrete structures. In the present investigation, QR (Quick Response) code based random speckle pattern is used as a non-contact sensor, which is an innovative approach in the field of digital image correlation (DIC). A four-point bending test was performed on RC beams of size 1800 mm × 150 mm × 200 mm. Image processing was done using an open source Ncorr algorithm for the results obtained using random speckle pattern and QR code based random speckle pattern. Load-deflection curves of RC beams were plotted for the results obtained using both contact and non-contact (DIC) sensors, and further, Moment (M)-Curvature (κ) relationship of RC beams was developed. The loading curves obtained were used as input data for material model parameters in finite element analysis. In finite element method (FEM) based software, concrete damage plasticity (CDP) constitutive model is used to predict the realistic nonlinear quasi-static flexural behavior of RC beams for monotonic loading condition. The results obtained using QR code based DIC are observed to be on par with conventional results and FEM results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.3
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pp.237-244
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2016
This paper presents a nonlinear Moving Least Squares(MLS) difference method for material nonlinearity problem. The MLS difference method, which employs strong formulation involving the fast derivative approximation, discretizes governing partial differential equation based on a node model. However, the conventional MLS difference method cannot explicitly handle constitutive equation since it solves solid mechanics problems by using the Navier's equation that unifies unknowns into one variable, displacement. In this study, a double derivative approximation is devised to treat the constitutive equation of inelastic material in the framework of strong formulation; in fact, it manipulates the first order derivative approximation two times. The equilibrium equation described by the divergence of stress tensor is directly discretized and is linearized by the Newton method; as a result, an iterative procedure is developed to find convergent solution. Stresses and internal variables are calculated and updated by the return mapping algorithm. Effectiveness and stability of the iterative procedure is improved by using algorithmic tangent modulus. The consistency of the double derivative approximation was shown by the reproducing property test. Also, accuracy and stability of the procedure were verified by analyzing inelastic beam under incremental tensile loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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