The bonding interface of the concrete slab track and cement-asphalt mortar layer plays an important role in transferring load and restraining the track slab's deformation for slab track structures without concrete bollards in high-speed railway. However, the interfacial bond-slip behavior is seldom considered in the structural analysis; no credible constitutive model has been presented until now. Elaborating the field tests of concrete to cement-asphalt mortar interface subjected to longitudinal and transverse shear loads, this paper revealed its bond capacity and failure characteristics. Interfacial fractures all happen on the contact surface of the concrete track slab and mortar-layer in the experiments. Aiming at this failure mechanism, an interfacial mechanical model that employed the bilinear local bond-slip law was established. Then, the interfacial shear stresses of different loading stages and the load-displacement response were derived. By ensuring that the theoretical load-displacement curve is consistent with the experiment result, an interfacial bond-slip constitutive model including its the corresponding parameters was proposed in this paper. Additionally, a finite element model was used to validate this constitutive model further. The constitutive model presented in this paper can be used to describe the real interfacial bonding effect of slab track structures with similar materials under shear loads.
In order to investigate the accuracy and applicability of steel equivalent constitutive model, the calculated results were compared with typical tests of steel frames under static and dynamic loading patterns firstly. Secondly, four widely used models for time history analysis of steel frames were compared to discuss the applicability and efficiency of different methods, including shell element model, multi-scale model, equivalent constitutive model (ECM) and traditional beam element model (especially bilinear model). Four-story steel frame models of above-mentioned finite element methods were established. The structural deformation, failure modes and the computational efficiency of different models were compared. Finally, the equivalent constitutive model was applied in seismic incremental dynamic analysis of a ten-floor steel frame and compared with the cyclic hardening model without considering damage and degradation. Meanwhile, the effects of damage and degradation on the seismic performance of steel frame were discussed in depth. The analysis results showed that: damages would lead to larger deformations. Therefore, when the calculated results of steel structures subjected to rare earthquake without considering damage were close to the collapse limit, the actual story drift of structure might already exceed the limit, leading to a certain security risk. ECM could simulate the damage and degradation behaviors of steel structures more accurately, and improve the calculation accuracy of traditional beam element model with acceptable computational efficiency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.2
s.257
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pp.182-189
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2007
This paper is concerned with the empirical flow stress constitutive equation of steel sheets for an auto-body with the variation of temperature and strain rate. In order to represent the strain rate and temperature dependent behavior of the flow stress at the intermediate strain rates accurately, an empirical hardening equation is suggested by modifying the well-known Khan-Huang-Liang model. The temperature and strain rate dependent sensitivity of the flow stress at the intermediate strain rate is considered in the hardening equation by coupling the strain, the strain rate and the temperature. The hardening equation suggested gives good correlation with experimental results at various intermediate strain rates and temperatures. In order to verify the effectiveness and accuracy of the suggested model quantitatively, the standard deviation of the fitted result from the experimental one is compared with those of the other two well-known empirical constitutive models such as the Johnson-Cook and the Khan-Huang-Liang models. The comparison demonstrates that the suggested model gives relatively well description of experimental results at various strain rates and temperatures.
This paper introduces a system allows for seismic isolation of the pallet from the rack in the down-aisle direction, occupies minimal vertical space (5 cm) and ±7.5 cm of deformation range. A conceptual model of the isolation system is presented, leading to a constitutive equation governing its behavior. A first experimental campaign studying the response of the isolation system's components was conducted to calibrate the parameters of its constitutive equation. A second experimental campaign evaluated the response of the isolation system with mass placed on it, subjected to cyclic loading. The results of this second campaign were compared with the numerical predictions using the pre-calibrated constitutive equation, allowing a double-blind validation of the constitutive equation of the isolation system. Finally, a numerical evaluation of the isolation system subjected to a synthetic earthquake of one component. This evaluation allowed verifying attributes of the proposed isolation system, such as its self-centering capacity and its effectiveness in reducing the absolute acceleration of the isolated mass and the shear load transmitted to the supporting beams of the rack.
The moment-resistant steel frames are frequently used as a load-bearing structure of buildings. Global response of a moment-resistant frame structure strongly depends on connections behavior, which can significantly influence the response and load-bearing capacity of a steel frame structure. The analysis of a steel frame with included joints behavior is the main focus of this work. In particular, we analyze the behavior of two connection types through experimental tests, and we propose numerical beam model capable of representing connection behavior. The six experimental tests, under monotonic and cyclic loading, are performed for two different types of structural connections: end plate connection with an extended plate and end plate connection. The proposed damage-plasticity model of Reissner beam is able to capture both hardening and softening response under monotonic and cyclic loading. This model has 18 constitutive parameters, whose identification requires an elaborate procedure, which we illustrate in this work. We also present appropriate loading program and arrangement of measuring equipment, which is crucial for successful identification of constitutive parameters. Finally, throughout several practical examples, we illustrate that the steel structure connections are very important for correct prediction of the global steel frame structure response.
Natural clays exhibit features such as structural and anisotropy. In this work, a constitutive model that is able to replicate these two salient features of natural clays is presented. The proposed model is based on the classical S-CLAY1 model, where the anisotropy of the soil is captured through the initial inclination and rotation of the yield surface. To account for the structural of the soil, the compression curve of the reconstituted soil is taken as the reference. All parameters of the proposed constitutive model have clear physical meanings and can be conveniently determined from conventional triaxial tests. This proposed model has been used to simulate the behavior of soft soil in the undrained triaxial tests and the performance of Murro embankment in terms of settlement and horizontal displacements during embankment construction and consolidation stage. Results of numerical simulations using proposed model have been compared with the field measurement data. The comparisons show that the two features significantly influence the prediction results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.2
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pp.330-342
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1998
The effect of rubber mold on densification behavior of pure iron powder was investigated under cold isostatic pressing. The thickness effect of rubber mold was also studied. The elastoplastic constitutive equation based on the yield function of Shima and Oyane was implemented into the finite element program(ABAQUS) to predict compaction responses of metal powder under cold isostatic pressing. The hyperelastic constitutive equation based on Moony-Rivlin and Ogden strain energy potentials was also employed to analyze deformation of rubber mold. The coefficients of the strain energy potentials were obtained from tension and volumetric compression data of rubber. Finite element results were compared with experimental data for densification of pure iron powder under cold isostatic pressing.
This work deals with unilateral effect of quasi-brittle materials, such as concrete. For this propose, a two-dimensional meso-scale model is presented. The material is considered as a three-phase material consisting of interface zone, matrix and inclusions - each constituent modeled by an appropriate constitutive model. The Representative Volume Element (RVE) consists of inclusions idealized as circular shapes randomly placed into the specimen. The interface zone is modeled by means of cohesive contact finite elements developed here in order to capture the effects of phase debonding and interface crack closure/opening. As an initial approximation, the inclusion is modeled as linear elastic as well as the matrix. Our main goal here is to show a computational homogenization-based approach as an alternative to complex macroscopic constitutive models for the mechanical behavior of the quasi-brittle materials using a finite element procedure within a purely kinematical multi-scale framework. A set of numerical examples, involving the microcracking processes, is provided. It illustrates the performance of the proposed model. In summary, the proposed homogenization-based model is found to be a suitable tool for the identification of macroscopic mechanical behavior of quasi-brittle materials dealing with unilateral effect.
The capability of a multi-directional fixed smeared crack constitutive model to simulate the flexural/punching failure modes of fiber reinforced concrete (FRC) laminar structures is discussed. The constitutive model is implemented in a computer program based on the finite element method, where the FRC laminar structures were simulated according to the Reissner-Mindlin shell theory. The shell is discretized into layers for the simulation of the membrane, bending and out-of-plane shear nonlinear behavior. A stress-strain softening diagram is proposed to reproduce, after crack initiation, the evolution of the normal crack component. The in-plane shear crack component is obtained using the concept of shear retention factor, defined by a crack-strain dependent law. To capture the punching failure mode, a softening diagram is proposed to simulate the decrease of the out-of-plane shear stress components with the increase of the corresponding shear strain components, after crack initiation. With this relatively simple approach, accurate predictions of the behavior of FRC structures failing in bending and in shear can be obtained. To assess the predictive performance of the model, a punching experimental test of a module of a façade panel fabricated with steel fiber reinforced self-compacting concrete is numerically simulated. The influence of some parameters defining the softening diagrams is discussed.
A multiscale modeling scheme that addresses the influence of the nanoparticle size in nanocomposites consisting of nano-sized spherical particles embedded in a polymer matrix is presented. A micromechanics-based constitutive model for nanoparticle-reinforced polymer composites is derived by incorporating the Eshelby tensor considering the interface effects (Duan et al. 2005a) into the ensemble-volume average method (Ju and Chen 1994). A numerical investigation is carried out to validate the proposed micromechanics-based constitutive model, and a parametric study on the interface moduli is conducted to investigate the effect of interface moduli on the overall behavior of the composites. In addition, molecular dynamics (MD) simulations are performed to determine the mechanical properties of the nanoparticles and polymer. Finally, the overall elastic moduli of the nanoparticle-reinforced polymer composites are estimated using the proposed multiscale approach combining the ensemble-volume average method and the MD simulation. The predictive capability of the proposed multiscale approach has been demonstrated through the multiscale numerical simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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