Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.1
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pp.195-205
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2001
An analytical finite element approach to nonlinear behavior of reinforced concrete shear walls with opening under monotonic loading was presented in this paper. In order to achieve the objectives of present paper, the orthogonal anisotropic models for cracked reinforced concrete element based on smeared crack concept were used as the nonlinear material models of biaxial state of stress. The stiffness of cracked concrete was evaluated through the combined use of tension and compression stiffness models in and parallel directions of crack, respectively and shear transfer effect due to the aggregate interlocking at crack surface. The stress and strain of reinforcement in concrete was evaluated using the average stress and average strain relation with bond effect. based on smeared crack concept. The diagonal reinforcing bar was modeled using truss element with bond effect. A special significance of diagonal reinforcement near opening was given to the shear wall with opening and an effective distribution of diagonal reinforcement was presented in order to give an ultimate strength increment as well as a crack control.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1991.10a
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pp.23-28
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1991
A simple, yet effective, material model of concrete is presented in this paper. Based on the orthotropic model in which the assumption of orthogonal principal strain axes is used, the incremental stress-strain relation of concrete is defined in the biaxial stress condition and the rotating crack model is adopted to represent realistically the change of the crack direction according to the different loading pad after cracking. Numerical results obtained from the finite element analysis are compared favourably with the available experimental data. By the parametric study, moreover, it was found that He most important factor in the structural behavior when the reinforced concrete structure is subjected to the dominent shear forces is the tension stiffening effect. The influences of the tension stiffening effect remarkably appears as the steel ratio decreases.
Based on the experiment results, the damage and fracture behavior of concrete at the ages of 1d, 2d, 7d and 28d, in three-point bending and uniaxial tensile tests, were simulated with a finite element program, ABAQUS. The critical stress intensity factor $K_{IC}^s$ and the critical crack tip opening displacement ($CTOD_C$) of concrete were calculated with effective-elastic crack approach for the three-point bending test of grade C30 concrete. Based on the crack band model, a bilinear strain-softening curve was derived to simulate the LOAD-CMOD curves and LOAD-Displacement curves. In numerical analysis of the uniaxial tension test of concrete of grade C40, the damage and fracture mechanics were combined. The smeared cracking model coupling with damaged variable was adopted to evaluate the onset and development of microcracking of uniaxial tensile specimen. The uniaxial tension test was simulated by invoking the damage plastic model which took both damage and plasticity as inner variables with user subroutines. All the numerical simulated results show good agreement with the experimental results.
In this paper, a finite element analysis based on the local approach concept to fracture in the continuum damage mechanics is performed to analyze ductile fracture in two dimensional quasi-static state. First an isotropic damage model based on the generalized concept of effective stress is proposed for structural materials in the context of large deformation. In this model, the stiffness degradation is taken as a measure of damage and so, the fracture phenomenon can be explained as the critical deterioration of stiffness at a material point. The modified Riks' continuation technique is used to solve incremental iterative equations. Crack propagation is achieved by removing critically damaged elements. The mesh size sensitivity analysis and the simulation of the well known shearing mode failure in plane strain state are carried out to verify the present formulation. As numerical examples, an edge cracked plate and the specimen with a circular hole under plane stress are taken. Load-displacement curves and successively fractured shapes are shown. From the results, it can be concluded that the proposed model based on the local approach concept in the continuum damage mechanics may be stated as a reasonable tool to explain ductile fracture initiation and crack propagation.
The objective of this study is to examine the fracture characteristics of concrete at early ages such as critical stress intensity factor, critical crack-tip opening displacement, fracture energy, and bilinear softening curve based on the concepts of the effective-elastic crack model and the cohesive crack model. A wedge splitting test for Mode I was performed on cubic wedge specimens with a notch at the edge. By taking various strengths and ages, load-crack mouth opening displacement curves were obtained, and the results were analyzed by linear elastic fracture mechanics and the finite element method. The results from the test and analysis showed that critical stress intensity factor and fracture energy increased, and critical crack-tip opening displacement decreased with concrete ages from 1 day to 28 days. By numerical analysis four parameters of bilinear softening curve from 1 day to 28 days were obtained. The obtained fracture parameters and bilinear softening curves at early ages may be used as a fracture criterion and an input data for finite element analysis of concrete at early ages.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.2
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pp.257-270
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2000
The objective of this study is to develop a damage model based on damage mechanics that can be used to analyze the mechanical behavior of structures with defects and the global behavior of damaged structures. A modified second order damage tensor that can be applied to finite element analysis is used to reflect the effect of damage. The damage stress computed from the effective stress is considered as an additional loading term acting on nodes and can represent the effect of crack surface. The accuracy of the proposed algorithm is verified by comparing the analysis results with the experimental data from other studies and the analysis results based on transverse isotropic theory. The developed damage model is applied to the analyses of structures with cracks under linear elastic condition. The comparisons confirmed that the quantitative analysis of the structural behavior due to crack orientation and multiple sets of cracks is possible. Also, the damage caused by rock excavation and fault zone is analyzed. The results also showed that the developed model can effectively analyze the global behavior of damaged structures.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.28
no.9
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pp.1078-1085
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2011
Prediction of a minimum crack size for growth, which is defined as a crack size that grows fast enough to keep ahead of its removal by contact wear and periodic grinding, is the most demanding work to prevent rail from fatigue failure and develop cost effective railway maintenance strategy In this study, we investigated the wheel load increment due to a rail defect during a train ran over it, and its effect on the minimum crack size for growth. For this purpose, we developed simulation software based on the Fletcher and Kapoor's "2.5D" model and measured wheel load increment during a train passed over a defect. A maximum contact pressure and contact patch size were calculated by 3D FEM and crack growth analyses were performed by varying two of dominant contact contributors; surface friction coefficient(0.1, 0.2, 0.3 and 0.4) and crack aspect ratio. The minimum crack sizes for growth were calculated from 0.29 to 1.44mm depending on the contact conditions. They were decreasing with increasing surface friction coefficient and decreasing with crack aspect ratio(a/b).
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.
Hong, Sung Nam;Park, Jong In;Kim, Tae Wan;Park, Sun Kyu
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.5
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pp.101-112
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2011
This paper shows a study carried out on the estimation of nominal flexural strength for CFRP-plated RC beams failed by intermediate crack debonding. A strength reduction factor is proposed to consider the effect of the intermediate crack debonding for the determination of nominal flexural strength. The proposed factor is derived from experimental data and utilizes the ratio of effective stress(or strain) in the CFRP plate to its ultimate strength(or strain) which is called effective strain model. An analytical equation for the estimation of the nominal flexural strength is formulated as a function of strength reduction factor. The validity, accuracy and efficiency of the proposed factor are established by comparing the analytical results with the experimental data, and the major design codes, as well as a number of factors given by researchers. The analytical results presented in this paper indicate that the proposed factor can effectively estimate the flexural nominal strength of CFRP-plated reinforced concrete beams failed by intermediate crack debonding.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.9
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pp.1091-1097
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2011
The SGBEM-FEM alternating method has been known to be a very effective method for analyzing threedimensional cracks in a finite body. The accurate values of the stress intensity factor can be obtained for a general planar or nonplanar three-dimensional crack. In the existing method, eight-noded quadrilateral boundary elements are used to model a crack. In some cases, three-node triangle boundary elements are more convenient for the modeling of a crack with a general shape. In this study, a crack is modeled with three-noded triangular and seven-noded quadrilateral elements by using the advancing-front mesh generation method. The stress intensity factors are obtained for cracks with several shapes and the accuracy of results is examined.
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