The paper proposes two methodologies for damage identification from measured natural frequencies of a contiguously damaged reinforced concrete beam, idealised with distributed damage model. The first method identifies damage from Iso-Eigen-Value-Change contours, plotted between pairs of different frequencies. The performance of the method is checked for a wide variation of damage positions and extents. The method is also extended to a discrete structure in the form of a five-storied shear building and the simplicity of the method is demonstrated. The second method is through smeared damage model, where the damage is assumed constant for different segments of the beam and the lengths and centres of these segments are the known inputs. First-order perturbation method is used to derive the relevant expressions. Both these methods are based on distributed damage models and have been checked with experimental program on simply supported reinforced concrete beams, subjected to different stages of symmetric and un-symmetric damages. The results of the experiments are encouraging and show that both the methods can be adopted together in a damage identification scenario.
In the present study, a methodology for developing fragilities of arch concrete dams to assess their performance against seismic hazards is introduced. Firstly, the probability risk and fragility curves are presented, followed by implementation and representation of the way this method is used. Amirkabir arch concrete dam was subjected to non-linear dynamic analyses. A modified three dimensional rotating smeared crack model was used to take the nonlinear behavior of mass concrete into account. The proposed model considers major characteristics of mass concrete. These characteristics are pre-softening behavior, softening initiation criteria, fracture energy conservation, suitable damping mechanism and strain rate effect. In the present analysis, complete fluid-structure interaction is included to account for appropriate fluid compressibility and absorptive reservoir boundary conditions. In this study, the Amirkabir arch concrete dam is subjected to a set of 8 three-component earthquakes each scaled to 10 increasing intensity levels. Using proposed nonlinear smeared crack model, nonlinear analysis is performed where the structure is subjected to a large set of scaled and un-scaled ground motions and the maximum responses are extracted for each one and plotted. Based on the results, fragility curves were plotted according to various and possible damages indexes. Discrete damage probabilities were calculated using statistical methods for each considered performance level and incremental nonlinear analysis. Then, fragility curves were constructed based on the lognormal distribution assumption. Two damage indexes were introduced and compared to one another. The results indicate that the dam has a proper stability under earthquake conditions at MCE level. Moreover, displacement damages index is more conservative and impractical in the fragility analysis than tensional damage index.
In this study, two damage detection techniques are applied to the railway tunnel liner based on the static deformation data. Models based on uniform reduction of stiffness and smeared crack concept are both employed, and the efficiency and relative advantage are compared with each other. Numerical analyses are performed on the idealized tunnel structure and the effect of white noise, common in most measurement data, is also investigated to better understand the suitability of the proposed models. As a result, model 1 based on uniform stiffness reduction method is shown to be relatively insensitive to the noise, while model 2 with the smeared crack concept is proven to be easily applied to the field situation since the effect of stiffness reduction is rather small. Finally, real deformation data of a rail tunnel in which health monitoring system is in operation are introduced to find the possible damage and it is shown that the prediction shows quite satisfactory result.
Marzec, Ireneusz;Skarzynski, Lukasz;Bobinski, Jerzy;Tejchman, Jacek
Computers and Concrete
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제12권5호
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pp.585-612
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2013
The paper presents quasi-static numerical simulations of the behaviour of short reinforced concrete beams without shear reinforcement under mixed shear-tension failure using the FEM and four various constitutive continuum models for concrete. First, an isotropic elasto-plastic model with a Drucker-Prager criterion defined in compression and with a Rankine criterion defined in tension was used. Next, an anisotropic smeared crack and isotropic damage model were applied. Finally, an elasto-plastic-damage model was used. To ensure mesh-independent FE results, to describe strain localization in concrete and to capture a deterministic size effect, all models were enhanced in a softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Bond-slip between concrete and reinforcement was considered. The numerical results were directly compared with the corresponding laboratory tests performed by Walraven and Lehwalter (1994). The advantages and disadvantages of enhanced models to model the reinforced concrete behaviour were outlined.
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.
This paper presents an analytical prediction of the fatigue damage of reinforced concrete bridge columns subjected to cyclic load. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. In boundary plane at which each member with different thickness is connected, local discontinuity in deformation due to the abrupt change in their stiffness can be taken into account by introducing interface element. The effect of number of load reversals with the same displacement amplitude has been also taken into account to model the reinforcing steel and concrete. The proposed numerical method for fatigue damage of reinforced concrete bridge columns subjected to cyclic load is verified by comparison with reliable experimental results.
An anisotropic damage mechanics approach is introduced which models the static and dynamic behavior of mass concrete in 3D space. The introduced numerical approach is able to model non-uniform cracking within the cracked element due to cracking in Gaussian points of elements. The validity of the proposed model is considered using available experimental and theoretical results under the static and dynamic loads. No instability and stress locking is observed in the conducted analyses. The Morrow Point dam is analyzed including dam-reservoir interaction effects to consider the nonlinear seismic behavior of the dam. It is found that the resulting crack profiles are in good agreement with those obtained from the smeared crack approach. It is concluded that the proposed model can be used in nonlinear static and dynamic analysis of concrete dams in 3D space and enables engineers to define the damage level of these infrastructures. The performance level of the considered system is used to assess the static and seismic safety using the defined performance based criteria.
Taking into account the geometrical and material nonlinearities, an ultimate behavior of reinforced concrete cooling tower shell in hyperbolic configuration is presented. The design wind pressures suggested in the guidelines of the US (ACI) and Germany (VGB), with or without the effect of internal suction, are employed in the analysis to examine the qualitative and quantitative characteristics of each design wind pressure. The geometrical nonlinearity is incorporated by the Green-Lagrange strain tensor. The nonlinear features of concrete, such as the nonlinear stress-strain relation in compression, the tensile cracking with the smeared crack model, an effect of tension stiffening, are taken into account. The biaxial stress state in concrete is represented by an improved work-hardening plasticity model. From the perspective of quality of wind pressures, the two guidelines are determined as highly correlated each other. Through the extensive analysis on the Niederaussem cooling tower in Germany, not only the ultimate load is determined but also the mechanism of failure, distribution of cracks, damage processes, stress redistributions, and mean crack width are examined.
Numerical analysis is carried out to identify the appropriateness of the design codes that is available for the tensile design of fastening system at Nuclear Power Plant (NPP) in this study. This study is intended for the cast-in-place anchor that is widely used for the fastening of equipment in Korean NPPs. The microplane model and the elastic-perfectly plastic model are employed for the quasi-brittle material like concrete and for the ductile material like anchor bolt as constitutive model for numerical analysis and smeared crack model is employed for the crack and damage phenomena. The developed numerical model is verified on a basis of the various test data of cast-in-place anchor. The appropriateness of both ACI 349 Code and CCD approach of CEB-FIP Code is evaluated for the tensile design of cast-in-place anchor and it is proved that both design codes give a conservative results compared with real tensile capacity of cast-in-place anchor.
This paper presents a new hypoelasticity model which was implemented in a nonlinear finite element formulation to analyze reinforced concrete (RC) structures. The model includes a new hypoelasticity constitutive relationship utilizing the rotation of material axis through successive iterations. The model can account for high nonlinearity of the stress-strain behavior of the concrete in the pre-peak regime, the softening behavior of the concrete in the post-peak regime and the irrecoverable volume dilatation at high levels of compressive load. This research introduces the modified version of the common application orthotropic stress-strain relation developed by Darwin and Pecknold. It is endeavored not to violate the principal of "simplicity" by improvement of the "capability" The results of analyses of experimental reinforced concrete walls are presented to confirm the abilities of the proposed relationships.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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