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.
휨을 받는 철근콘크리트 부재 단면의 연화현상은 구조물의 파괴하중 해석시 중요한 인자로 작용한다. 일반적인 탄-소성 이론에 근거한 소성한계해석법을 사용할 경우 철골 구조물에는 적합하지만 철근콘크리트 구조물에는 최대하중 이후의 연화현상으로 인하여 이 이론은 부적합하게 된다. 따라서 본 논문의 주목적은 변위제어방법을 사용하여 철근콘크리트 구조물이 파괴될 때까지의 완전한 거동을 이끌어 내는 것이다. 프로그램을 사용한 계산결과를 보다 빠르고 경제적으로 이끌어 내기 위하여 단면의 성질인 모멘트-곡률, 축력-축\ulcorner향 변형률, 그리고 전단력 변형률 곡선 등을 여러개의 직선적으로 단순화한 모델식을 사용하여 해석한다. 또한 연화현상을 고려한 유한요소의 해석결과는 사용된 요소의 크기에 따라 결과가 매우 다르게 나타나기 때문에 이를 방지하기 위하여 파괴에너지 개념을 도입하여 모멘트-곡률 곡선을 보정하여 구조계산에 적용시킨다. 이와 같이 단면을 층으로 나누어 해석하지 않고 직접 단면의 성질을 나타내는 곡선들을 적용한 본 프로그램으로 보와 골조를 해석한 결과는 실제적인 실험결과와 비교하였을 경우 거의 일치하게 나타난다.
In this paper a computer program for displacement control method was developed, in which a certain displacement of the structure is increased and the applied loads and another displacements are obtained. To simplify the nonlinear structural analysis, the relationships of moment-curvature were linearized as elasto-softening model for over-reinforced concrete beam and as elasto-plastic-softening model for under-reinforced concrete beam. Since the result of the analysis of reinforced concrete beam depended on the element size beyond elastic zone, the relationship of moment-curvature was modified for each element by using the concept of fracture energy approach. Overall, analytical results accurately predicted the load-displacement behavior of reinforced concrete beams.
One of the most vulnerable properties in concrete is tensile cracking, which usually happens at early ages due to hydration heat and shrinkage. In order to accurately predict the early age cracking, it needs to find out how stress-crack opening relation is varying over time. In this study, inverse analyses were performed with the existing experimental data for wedge-splitting tests, and the parameters of the softening curve for the stress-crack opening relation were determined from the best fits of the measured load-CMOD curves. Based on the optimized softening curve, variation of fracture energy over time was first examined, and a model for the stress-crack opening relation at early ages was suggested considering the found feature of the fracture energy. The model was verified by comparisons of the peak loads, CMODs at peak loads, and fracture energies obtained from the experiments and the inverse analysis.
In this paper, a stress transfer mechanism between near surface-mounted (NSM) fiber reinforced polymer (FRP) plate and concrete was investigated and a reliable analytical procedure for it was presented by using bilinear bond-slip model simulating the bond behavior of NSM FRP plate. As a result, critical values in the bi-linear model such as maximum shear strength, slip at that time and failure slip at the initiation of softening de-bonding were suggested for being used in the differential equation considering he interfacial characteristic between NSM FRP and concrete. Also, it was found that the bond-slip behavior could be suitably redicted by using the proposed procedure even in the case of various bond lengths from the comparison with bond test result.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.4
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pp.353-367
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2003
This paper describes the extension of the numerical model, which was developed to simulate the nonlinear behavior of reinforced concrete (RC) structures subjected to monotonic in plane shear and introduced in the companion paper, to simulate effectively the behavior of RE structures under cyclic loadings. While maintaining all the basic assumptions adopted in defining the constitutive relations of concrete under monotonic loadings, a hysteretic stress strain relation of concrete, which across the tension compression region, is defined. In addition, unlike previous simplified stress strain relations, curved unloading and reloading branches inferred from the stress strain relation of steel considering the Bauschinger effect we used. The modifications of the stress strain relation of steel are also introduced to reflect pinching effect depending on the shear span ratio and an average stress distribution in a cracked RC element. Finally, correlation studies between analytical results and experimental studies are conducted to establish the validity of the proposed model.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.5
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pp.121-128
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2012
In this paper, nonlinear analysis for reinforced concrete structure for power transmission line is performed by considering the characteristics of the failure, which are depend on loading conditions and concrete material models. On the numerical evaluation for the failure behavior, the finite element analysis is applied. For the concrete material model, microplane model based on concrete damage is introduced. However, to describe the crack bridging effect of long and short fiber of steel fiber reinforced concrete (SFRC), tensile softening model is suggested and applied for SFRC. An numerical results by finite element technique are compared with the experiment results for box culvert specimen. Comparing on the experimental and analytical results, validity and reliability of numerical analysis are investigated.
The failure phenomenon of overlaid concrete structures, such as surface crack, and peel-off failure, shear bond failure in the end contact zone, was investigated due to humidity changes. To investigate this failure phenomenon, the surface tensile stress, and the shear stress, the vertical tensile stress in the contact zone were analysed using the non-linear stress-strain relationship of material such as strain-hardening- and strain-softening diagrams. Overlay thickness and overlay material were the main variables in the analyses. It is assumed that the initial surface humidity of overlaid concrete structures was 100% r.H. With a atmospheric humidity of 55% r.H. and two load cases for drying(LCI), curing and drying(LC2), the stress states of overlaid concrete structures were calculated. The result shows that only fictitious cracks occurred in the overlay surface of CM2O, ECM25, and no shear bond failure occurred in the contact zone without CM2O. The peel-off failure was proved to be the main cause of the damage in the overlaid concrete structures. Only for overlay thickness of 1cm occurred no peel-off failure in the case of drying after a long-term public use(LC1). In the case of curing and drying during overlay work(LC2) occurred the peel-off failure within 1.5days for all the overlaid concrete structures.
The fracture process zone in concrete is a region ahead of a traction-free crack, in which two
major mechanisms, microcracking and bridging, play important roles. The toughness due to
bridging is dominant compared to toughness induced by microcracking, so that the bridging is
dominani: mechanism governing the fracture process of concrete. Fracture mechanics does work
for concrete provided that the fracture process zone is being considered, so that the development
of model for the fracture process zone is most important to describe fracture phenomena in
concrete.
In this paper the bridging zone, which is a part of extended rnacrocrack with stresses
transmitted by aggregates in concrete, is modelled by a Dugdale-Barenblatt type model with linear
tension-softening curve. Two finite element techniques are shown for the analysis of progressive
cracking in concrete based on the discrete crack approach: one with crack element, the
other without crack element. The advantage of the technique with crack element is that it dees
not need to update the mesh topology to follow the progressive cracking. Numerical results by
the techniques are demonstrated.
A girder height limitation is the critical parameter for rapid construction of bridge deck and construction space limitation especially in urban area such as high population area and high density habitats. A standard post-tensioned I-shaped concrete girder usually demands relatively higher girder height in order to retain sufficient moment arm between compression force and tensile force. To elaborate this issue, a small U-shaped section with wide flanges can be used as a possible replacement of I-shaped standard girder. This prestressed concrete box girder allows more flexible girder height adjustment rather than standard I-shaped post-tensioned girder plus additional torsion resistance benefits of closed section. A 30m-long, 1.7m-high and 3.63m-wide actual small prestressed concrete box girder is designed and a laboratory test for its static behaviors by applying 6,200kN amount of load in the form of 4-point bending test was performed. The load-deflection curve and crack patterns at different loading stage are recorded. In addition, to extracting the dynamic characteristics such as natural frequency and damping ratio of this girder, several excitation tests with artificial mechanical exciter with un-symmetric mass are carried out using operational frequency sweep-up. Nonlinear finite element analysis of this 4 point bending test under monotonic static load is investigated and discussed with aids of concrete damaged plasticity formulation using ABAQUS program.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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