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.
As the load is increased on the steel-concrete composite structure, its interface begins to show nonlinear behavior due to the reduction of interaction, micro-crack, slip and separation, and it causes slip-softening, Therefore, it is essential to consider the partial-interaction analysis technique. Until now, however, full-interaction or, in some instances, the linear-elastic model, which are insufficient to simulate accurate behavior, are assumed in the analysis of composite structure since the analysis method and nonlinear model for interface are very difficult and complicated. Therefore, the design of composite structure is followed by the experimental method which is inefficient-because a number of tests have to be carried out according to the design environments. In this study, we carried out the nonlinear analysis according to various interface nonlinear models by interaction magnitude, and analyzed more accurate structural behavior and performance by maximum tangential traction and slip-softening at the interface. As a result of this study. we were able to prove that the nonlinear model of interface more exactly represents behavior after yielding, such as ultimate load: that initial tangential stiffness of interface has a significant effect on the yielding load of structural members or part: and that the maximum tangential traction and slip-softening mainly effects structural yielding and ultimate load. Therefore, the structural performance of composite structure is highly dependent on the steel-concrete interface or interaction, which may result in initial tangential stiffness, maximum tangential traction and slip-softening in nonlinear model.
In the realm of nanotechnology, the nonlocal strain gradient theory takes center stage as it scrutinizes the behavior of spinning cantilever nanobeams and nanotubes, pivotal components supporting various mechanical movements in sport structures. The dynamics of these structures have sparked debates within the scientific community, with some contending that nonlocal cantilever models fail to predict dynamic softening, while others propose that they can indeed exhibit stiffness softening characteristics. To address these disparities, this paper investigates the dynamic response of a nonlocal cantilever cylindrical beam under the influence of external discontinuous dynamic loads. The study employs four distinct models: the Euler-Bernoulli beam model, Timoshenko beam model, higher-order beam model, and a novel higher-order tube model. These models account for the effects of functionally graded materials (FGMs) in the radial tube direction, giving rise to nanotubes with varying properties. The Hamilton principle is employed to formulate the governing differential equations and precise boundary conditions. These equations are subsequently solved using the generalized differential quadrature element technique (GDQEM). This research not only advances our understanding of the dynamic behavior of nanotubes but also reveals the intriguing phenomena of both hardening and softening in the nonlocal parameter within cantilever nanostructures. Moreover, the findings hold promise for practical applications, including drug delivery, where the controlled vibrations of nanotubes can enhance the precision and efficiency of medication transport within the human body. By exploring the multifaceted characteristics of nanotubes, this study not only contributes to the design and manufacturing of rotating nanostructures but also offers insights into their potential role in revolutionizing drug delivery systems.
We present a quadrilateral finite element with an embedded crack that can be used to model tensile fracture in two-dimensional concrete solids and the crack growth. The element has kinematics that can represent linear jumps in both normal and tangential displacements along the crack line. The cohesive law in the crack is based on rigid-plasticity with softening. The required material data for the concrete failure analysis are the constants of isotropic elasticity and the mode I softening curve. The results of two well known tests are presented in order to illustrate very satisfying performance of the presented approach to simulate failure of concrete solids.
A numerical model for masonry is proposed by following an internal variable approach originally developed in the field of elastic-plastic analysis. The general features of the theoretical framework are discussed by focussing on finite element models applicable to incremental elastic-plastic problems. An extremum property is derived and its implications in terms of convergence for convenient algorithms are briefly discussed, by including the case of softening materials and damage effects. Next, a numerical model is presented, which is suitable for masonry, can be developed according to the same internal variable formulation and enjoys similar properties. Some numerical results are presented and compared with the response of a masonry shear wall subjected to pseudodynamic tests.
The process of material failure i.e. cracks development and their propagation in an experiment related to the bending collapse of cross laminated timber plate with ribs is described. Numerical simulation of such an experiment by the nonlinear finite element method is presented. The numerical model is based on Hashin failure criteria, initially developed for unidirectional composites, and on material softening concept applied by the smeared crack approach. It is shown that such a numerical model can be used for an estimation of the limit load and the limit displacement of a cross laminated timber ribbed plate.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1995.10a
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pp.171-177
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1995
Fracture mechanics does work for concrete, provided that one uses a proper, nonlinear form of fracture mechanics in which a finite nonlinear zone at fracture front is being considered. The fracture process zone is a region ahead of a traction-free crack, and the development of model of fracture process zone is most important to describe fracture phenomena in concrete. This paper is about fracture behavior of concrete cylinder under lateral pressure. Concrete cylinders were made of high strength normal connote, steel fiber reinforced concrete and steel fiber reinforced polymer-impregnated concrete and concrete and the fracture behavior such as cracking propagation and ultimate load are observed. The fracture process zone is modelled by a Dugdale-Barenblatt type model with linear tension-softening curve and are implemented to the boundary element technique for the fracture analyses of the cylinders. The experimental results are compared with analysis results and tension-softening curves for the steel fiber reinforced concrete and steel fiber reinforced polymer-impregnated concrete are obtained by back analyses.
Li, Mo;Luu, Hieu C.;Wu, Chang;Mo, Y.L.;Hsu, Thomas T.C.
Earthquakes and Structures
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v.7
no.5
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pp.691-704
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2014
Reinforced concrete (RC) shear walls are commonly used for building structures to resist seismic loading. While the RC shear walls can have a high load-carrying capacity, they tend to fail in a brittle mode under shear, accompanied by forming large diagonal cracks and bond splitting between concrete and steel reinforcement. Improving seismic performance of shear walls has remained a challenge for researchers all over the world. Engineered Cementitious Composite (ECC), featuring incredible ductility under tension, can be a promising material to replace concrete in shear walls with improved performance. Currently, the application of ECC to large structures is limited due to the lack of the proper constitutive models especially under shear. In this paper, a new Cyclic Softening Membrane Model for reinforced ECC is proposed. The model was built upon the Cyclic Softening Membrane Model for reinforced concrete by (Hsu and Mo 2010). The model was then implemented in the OpenSees program to perform analysis on several cases of shear walls under seismic loading. The seismic response of reinforced ECC compared with RC shear walls under monotonic and cyclic loading, their difference in pinching effect and energy dissipation capacity were studied. The modeling results revealed that reinforced ECC shear walls can have superior seismic performance to traditional RC shear walls.
In this paper we present methodology for parameters identification of constitutive model which is able to present behavior of a connection between two members in a structure. Such a constitutive model for frame connections can be cast in the most general form of the Timoshenko beam, which can present three failure modes. The first failure mode pertains to the bending in connection, which is defined as coupled plasticity-damage model with nonlinear softening. The second failure mode is seeking to capture the shearing of connection, which is defined as plasticity with linear hardening and nonlinear softening. The third failure mode pertains to the diffuse failure in the members; excluding it leads to linear elastic constitutive law. Theoretical formulation of this Timoshenko beam model and its finite element implementation are presented in the second section. The parameter identification procedure that will allow us to define eighteen unknown parameters is given in Section 3. The proposed methodology splits identification in three phases, with all details presented in Section 4 through three different examples. We also present the real experimental results. The conclusions are stated in the last section of the paper.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.10a
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pp.105-110
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2002
This paper proposes an analytical method to predict the behavior of reinforced concrete beams subjected to reversed cyclic loading. The proposed method is based on the compatibility aided truss model and adopts the stress vs. strain curve of concrete which considers the softening effects. This model Is verified by comparing to the six reinforced concrete panel tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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