Material failure behavior is generally dependent on loading rate. Especially in brittle and quasi-brittle materials, rate dependent material behavior can be significant. Empirical formulations are often used to predict the rate dependency, but such methods depend on extensive experimental works and are limited by practical constraints of physical testing. Numerical simulation can be an effective means for extracting knowledge about rate dependent behavior and for complementing the results obtained by testing. In this paper, the failure behavior of a brittle material under different loading rates is simulated by molecular dynamics analysis. A notched specimen is modeled by sub-million particles with a normalization scheme. Lennard-Jones potential is used to describe the interparticle force. Numerical simulations are performed with six different loading rates in a direct tensile test, where the loading velocity is normalized to the ratio of the pseudo-sonic speed. As a consequence, dynamic features are achieved from the numerical experiments. Remarkable failure characteristics, such as crack surface interaction/crack arrest, branching, and void nucleation, vary in case of the six loading cases. These characteristics are interpreted by the energy concept approach. This study provides insight into the change in dynamic failure mechanism under different loading rates.
This paper focuses on the mesh-size dependency in numerical simulations of reinforced concrete (RC) structures subjected to blast loading. A tensile failure criterion that can minimize the mesh-dependency of simulation results is introduced based on the fracture energy theory. In addition, conventional plasticity based damage models for concrete such as the CSC model and the HJC model, which are widely used for blast analyses of concrete structures, are compared with the orthotropic model that adopts the introduced tensile failure criterion in blast tests to verify the proposed criterion. The numerical predictions of the time-displacement relations at the mid-span of RC beams subjected to blast loading are compared with experimental results. The analytical results show that the numerical error according to the change in the finite element mesh size is substantially reduced and the accuracy of the numerical results is improved by applying a unique failure strain value determined by the proposed criterion.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.3
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pp.147-154
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2014
In the context of an increasing need for safety in concrete structures under blast and impact loading condition, the behavior of concrete under high strain rate condition has been an important issue. Since concrete subjected to impact loading associated with high strain rate shows quite different material behavior from that in the static state, several material models are proposed and used to describe the high strain rate behavior under blast and impact loading. In the process of modelling high strain rate conditions with these material models, mesh dependency in the used finite element(FE) is the key problem because simulation results under high strain-rate condition are quite sensitive to applied FE mesh size. This paper introduces an criterion which can minimize the mesh-dependency of simulation results on the basis of the fracture energy concept, and HJC(Holmquist Johnson Cook) model is examined to trace sensitivity to the used FE mesh size. To coincide with the purpose of the perforation simulation with a concrete plate under a projectile(bullet), the residual velocities of projectile after perforation are compared. The analytical results show that the variation of residual velocity with the used FE mesh size is quite reduced and accuracy of simulation results are improved by applying a unique failure strain value determined according to the proposed criterion.
John E. Hatfield;Genevieve L. Pezzola;John M. Hoemann;James S. Davidson
Computers and Concrete
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v.33
no.5
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pp.519-533
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2024
Many materials including cementitious concrete-type materials undergo material property changes during high-rate loading. There is a wealth of research regarding this phenomenon for concrete in compression and tension. However, there is minimal knowledge about how mortar material used in concrete masonry unit (CMU) construction behaves in high-rate shear loading. A series of experiments was conducted to examine the bond strength of mortar bonded to CMU units under high-rate shear loading. A novel experimental setup using a shock tube and dynamic ram were used to load specially constructed shear triplets in a double lap shear configuration with no pre-compression. The Finite Element Method was leveraged in conjunction with data from the experimental investigation to establish if the shear bond between concrete masonry units and mortar exhibits any rate dependency. An increase in shear bond strength was observed when loaded at a high strain rate. This data indicates that the CMU-mortar bond exhibits a rate dependent strength change and illustrates the need for further study of the CMU-mortar interface characteristics at high strain rates.
Park, Minseok;Kim, Chul-Young;Han, Jongwook;Chae, Yunbyeong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.6
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pp.637-644
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2021
Dynamic response of structures can be evaluated experimentally by conducting cyclic loading tests. It has been known that steel materials are rate-dependent and the lateral response of a structure is significantly affected by the presence of axial force. However, the rate-dependency of steel column structures subjected to both axial and lateral loads has not been sufficiently studied yet due to the difficulty of controlling the axial force in a real-time manner during test. This study introduces an advanced way to apply the axial load in real-time to a column specimen using the adaptive time series (ATS) compensator and the flexible loading beam (FLB), where the H-shape steel columns made of SS275 are used for monotonic and cyclic loading tests with various loading rates with axial loads. The lateral strength and post-yield response of the steel columns are compared for each of monotonic and cyclic loading tests. The estimating equation of yield stress of various strain rate has proposed and finite element analysis were performed for comparison.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.2
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pp.137-143
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2017
A tensile failure criterion that can minimize the mesh-dependency of simulation results on the basis of the fracture energy concept is introduced, and conventional plasticity based damage models for concrete such as CSC model and HJC model, which are generally used for the blast analyses of concrete structures, are compared with orthotropic model in blast test to verify the proposed criterion. The numerical prediction of the time-displacement relations in mid span of the beam during blast loading are compared with experimental results. Analytical results show that the numerical error is substantially reduced and the accuracy of numerical results is improved by applying a unique failure strain value determined according to the proposed criterion.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4A
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pp.529-536
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2008
The failure behavior of structures is changed under different loading rates, which might arise from the rate dependency of materials. This phenomenon has been focused in the engineering fields. However, the failure mechanism is not fully understood yet, so that it is hard to be implemented in numerical simulations. In this study, the numerical experiments to a brittle material are simulated by the Molecular Dynamics (MD) for understanding the rate dependent failure behavior. The material specimen with a notch is modeled for the compact tension test simulation. Lennard-Jones potential is used to describe the properties of a brittle material. Several dynamic failure features under 6 different loading rates are achieved from the numerical experiments, where remarkable characteristics such as crack roughness, crack recession/arrest, and crack branching are observed during the crack propagation. These observations are interpreted by the energy inflow-consumption rates. This study will provides insight about the dynamic failure mechanism under different loading rates. In addition, the applicability of the MD to the macroscopic mechanics is estimated by simulating the previous experimental research.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.4
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pp.769-777
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2015
In this study, the rheological models were introduced and developed to reflect rate dependent tensile behaviour of concrete. In general, mechanical properties(e.g. strength, elasticity, and fracture energy) of concrete are increased under high loading rates. The strength of concrete shows high rate dependency among its mechanical properties, and the tensile strength has higher rate dependency than the compressional strength. To simulate the rate dependency of concrete, original spring set of RBSN(Rigid-Body- Spring-Network) model was adjusted with viscous and friction units(e.g. dashpot and Coulomb friction component). Three types of models( 1) visco-elastic, 2) visco-plastic, and 3) visco-elasto- plastic damage models) are considered, and the constitutive relationships for the models are derived. For validation purpose, direct tensile test were simulated, and characteristics of the three different rheological models were compared with experimental stress-strain responses. Simulation result of the developed visco-elasto-plastic damage(VEPD) model demonstrated well describing and fitting with experimental results.
Recent developments in fractal theory suggest that fractal may provide a more realistic representation of characteristics of cementitious materials. In this paper, the roughness of fracture surfaces in cementitious material has been characterized by fractal theory. A systematic experimental investigation was carried out to examine the dependency of fracture parameters on the aggregate sizes as well as the loading rates. Three maximum aggregate sizes (4.76 mm, 12.7 mm, and 19.1 mm) and two loading rates (slow and fast loading rate) were used. A total of 25 compression tests and 25 tension tests were performed. All fracture parameters exhibited an increase, to varying degrees, when aggregates were added to the mortar matrix. The fracture surfaces of the specimens were digitized and analyzed. Results of the fractal analysis suggested that concrete fracture surfaces exhibit fractal characteristics, and the fractal geometry provide a useful tool for characterizing nonlinear fracture behavior of concrete. Fractal dimension D was monotonically increased as maximum aggregate sizes increase. A new fractal fracture model was developed which considers the size and shape of aggregate, and the crack paths in the constituent phases. Detailed analyses were given for four different types of fracture paths. The fractal fracture model can estimate fractal dimension for multiphase composites.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.595-602
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2004
In this study, the roughness of fracture surfaces in cementitious material has been characterized by roughness number (RN). A systematic experimental investigation was carried out to examine the dependency of fracture parameters on the aggregate sizes as well as the loading rates. Three aggregate sizes (0.1875 in, 0.5 in, and 0.75 in) and two loading rates (slow and fast loading rate) were used. A total of 52 compression tests and 53 tension tests were performed. All fracture parameters exhibited an increase, to varying degrees, when aggregates were added to the mortar matrix. The fracture surfaces of the specimens were digitized and analyzed. Fracture roughness was monotonically increased as maximum aggregate sizes increase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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