This paper presents the numerical simulation of the rigid 12.6 mm diameter kinetic energy ogive-nosed projectile impact on plain and fiber reinforced concrete (FRC) targets with compressive strengths from 45 to 235 MPa, using a three-dimensional finite element code LS-DYNA. A combined dynamic constitutive model, describing the compressive and tensile damage of concrete, is implemented. A modified Johnson_Holmquist_Cook (MJHC) constitutive relationship and damage model are incorporated to simulate the concrete behavior under compression. A tensile damage model is added to the MJHC model to analyze the dynamic fracture behavior of concrete in tension, due to blast loading. As a consequence, the impact damage in targets made of plain and fiber reinforced concrete with same matrix material under same impact velocities (650 m/s) are obtained. Moreover, the damage distribution of concrete after penetration is procured to compare with the experimental results. Numerical simulations provide a reasonable prediction on concrete damage in both compression and tension.
The damage level in structures (global scale), elements (intermediate scale) and sections (local scale) can be evaluated using a single parameter called the "Damage Index". Part of the damage attributed to the local scale relates to the damage sustained by the materials of which the section is made. This study investigates the damage of concrete subjected to monotonic compressive loading using four different damage models - one proposed here for the first time and three other well-known models. The analytical results show that the proposed model is promising yet simple and effective for evaluating the damage of concrete. The proposed damage model of concrete with its promising characteristics indicated, appears to be a useful tool in the damage assessment of structures made of concrete.
In this study, a numerical model for the simulation of reinforced concrete columns subject to cyclic loading is presented. The model consists of three separate models representing concrete, reinforcing steel bars and bond-slip between a reinforcing bar and ambient concrete. The concrete model is represented by the plane stress plastic-damage model and quadrilateral finite elements. The nonlinear steel bar model embedded in truss elements is used for longitudinal and transverse reinforcing bars. Bond-slip mechanism between a reinforcing bar and ambient concrete is discretized using connection elements in which the hysteretic bond-slip link model defines the bond stress and slip displacement relation. The three models are connected in finite element mesh to represent a reinforced concrete structure. From the numerical simulation, it is shown that the proposed model effectively and realistically represents the overall cyclic behavior of a reinforced concrete column. The present plastic-damage concrete model is observed to work appropriately with the steel bar and bond-slip link models in representing the complicated localization behavior.
A reliable concrete constitutive material model is critical for an accurate numerical analysis simulation of reinforced concrete structures under extreme dynamic loadings including impact or blast. However, the formulation of concrete material model is challenging and entails numerous input parameters that must be obtained through experimentation. This paper presents a damage scale analytical model to characterize concrete material for its pre- and post-peak behavior. To formulate the damage scale model, statistical regression and finite element analysis models were developed leveraging twenty existing experimental data sets on concrete compressive strength. Subsequently, the proposed damage scale analytical model was implemented in the finite element analysis simulation of a reinforced concrete pier subjected to vehicle impact loading and the response were compared to available field test data to validate its accuracy. Field test and FEA results were in good agreement. The proposed analytical model was able to reliably predict the concrete behavior including its post-peak softening in the descending branch of the stress-strain curve. The proposed model also resulted in drastic reduction of number of input parameters required for LS-DYNA concrete material models.
Long-termly used in water supply, an underground concrete pipe is easily subjected to the coupled action of pressure loading and flowing water, which can cause the chemo-mechanical damage of the pipe, resulting in its premature failure and lifetime reduction. Based on the leaching characteristics and damage mechanism of concrete pipe, this paper proposes a coupled chemo-mechanical damage and failure model of underground concrete pipe for water supply, including a calcium leaching model, mechanical damage equation and a failure criterion. By using the model, a numerical simulation is performed to analyze the failure process of underground concrete pipe, such as the time-varying calcium concentration in concrete, the thickness variation of pipe wall, the evolution of chemo-mechanical damage, the distribution of concrete stress on the pipe and the lifetime of the pipe. Results show that, the failure of the pipe is a coupled chemo-mechanical damage process companied with calcium leaching. During its damage and failure, the concentrations of calcium phase in concrete decrease obviously with the time, and it can cause an increase in the chemo-mechanical damage of the pipe, while the leaching and abrasion induced by flowing water can lead to the boundary movement and wall thickness reduction of the pipe, and it results in the stress redistribution on the pipe section, a premature failure and lifetime reduction of the pipe.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.155-158
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2005
Damage and fracture of concrete is characterized as the degradation of strength and stiffness. There can be modeled as the so-called homogenized crack model which can overcome the mesh sensitivity. But the plasticity and damage modeling for damage behavior before the fracture of concrete should be combined with the crack model. In this study, a damage function and an unified hardening-softening function are applied to the homogenized crack model to develope a 3-dimensional FEM program for nonlinear damage and fracture analysis of concrete. The comparison of numerical results and experimental data show that the combined modeling in this study can simulate the damage and fracture of concrete without the mesh-sensitivity. It is also shown that the behavior of the so-called Engineering Cementitious Composite(ECC) characterized by strain-hardening and multiple cracks can be well simulated using the modeling.
The initiation and growth of microcracks or microvoids inside concrete results in the progressive degradation of concrete. This damage processing along processing along with plastic deformation is main cause of nonlinear behavior of concrete. In this study, a continuum damage model of concrete is developed for the analysis of the nonlinear behavior of concrete due to damage and elasto-plastic deformation. Anisotropic damage tensor is used to describe the anisotropy of concrete and hypothesis of equivalent elastic energy is used to define the effective elastic tensor. The damage model including the damage evolution law and constitutive equation is derived with damage variable and damage surface which is defined by damage energy release rate by using the Helmholtz free energy and dissipation potential based on the thermodynamic principles. By adopting a typical plasticity model of concrete, plasticity of concrete is included to this model. Afinite element analysis program implemented with this model was developed and finite element analysis was performed for the analyses of concrete subjected to uniaxial and biaxial loadings. Comparison of the results of analysis with those of experiments and other models shows that the model successfully predicts the nonlinear behavior of concrete.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05b
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pp.633-636
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2006
Impact damage modeling of concrete under high strain rate loading conditions is investigated. A phenomenological penetration model that can account for complicated impact and penetration process such as the rate and loading history response of concrete, the microstructure-penetration interaction etc. is discussed. Constitutive law compatible with Second Law of thermodynamics and coupled damage and plasticity modelling based on continuum damage mechanics are also examined. The purpose of this paper is preliminarily to study with respect to impact and penetration models for concrete before the development of that model.
This paper proposes a numerically-based methodology to implicitly model irreversible deformations in concrete through a damage model. Plasticity theory is not explicitly employed, although resemblances are still present. A scalar isotropic damage model is adopted and the damage variable is split in two: one contributing for stiffness degradation (cracking) and other contributing for irreversible deformations (plasticity). The proposed methodology is thermodynamically consistent as it consists in a damage model rewritten in different terms. Its Finite Element coding is presented, indicating that minor changes are necessary. It is also demonstrated that nonlinear algorithms are unnecessary to model concrete cracking and plasticity. Experimental data from direct tension and four-point bending tests under cyclic loading are compared to the proposed methodology. A numerical case study of a low-cycle fatigue is also presented. It can be concluded that the model is simple, feasible and capable to capture the essentials concerning cracking and plasticity.
The damage of concrete subjected to multiaxial complex loading involves strong anisotropy due to its highly heterogeneous nature and the geometrically anisotropic characteristic of the microcracks. A comprehensive description of concrete damage is proposed by introducing a fourth-order anisotropic damage tenser. The evolution of damage is assumed to be related to the principal components of the current states of stress and damage. The unilateral effect of damage due to the closure and opening of microcracks is taken into account by introducing projection tensors that are also determined by the current state of stress. The proposed damage model considers the different kinds of damage mechanisms that result in different failure modes and different patterns of microdefects that cause different unilateral effects. This damage model is embedded in a thermomechanically consistent constitutive equation in which hardening and the triaxial compression caused shear-enhanced compaction can also be taken into account. The validity of the proposed model is verified by comparing theoretical and experimental results of plain and steel fiber reinforced concrete subjected to complex triaxial stress histories.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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