This study presents a random-aggregate mesoscale model integrating the random distribution of the coarse aggerates and the damage mechanics of the mortar and interfacial transition zone (ITZ). This mesoscale model can generate the random distribution of the coarse aggregates according to the prescribed particle size distribution which enables the automation of the current methodology with different coarse aggregates' distribution. The main innovation of this work is to propose the "correction factor" to eliminate the dimensionally dependent mesh sensitivity of the concrete damaged plasticity (CDP) model. After implementing the correction factor through the user-defined subroutine in the randomly meshed mesoscale model, the predicted fracture resistance is in good agreement with the average experimental results of a series of geometrically similar single-edge-notched beams (SENB) concrete specimens. The simulated cracking pattern is also more realistic than the conventional concrete material models. The proposed random-aggregate mesoscale model hence demonstrates its validity in the application of concrete fracture failure and statistical size effect analysis.
In this study, effects of impact loads on reinforced concrete (RC) plates are examined analytically. During examination of RC plates, they were exposed to impact loading with two different support conditions in three different sizes. RC plates in different support conditions were analyzed with Concrete Damage Plasticity Model (CDP) and reinforcing steel was modeled with Classical Metal Plasticity Model (CMP) by ABAQUS finite element software. After the analysis it is found that impact loads, displacements, energy absorption capacities and damage patterns are changed due to support conditions and plate sizes. Results that are obtained from RC plate experiments in literature under impact loads are found to be similar with the results of numerical analysis with CDP material models.
Krishna, B. Murali;Reddy, V. Guru Prathap;Tadepalli, T.;Kumar, P. Rathish;Lahir, Yerra
Computers and Concrete
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v.24
no.6
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pp.561-570
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2019
Understanding the realistic behavior of concrete up to failure under different loading conditions within the framework of damage mechanics and plasticity would lead to an enhanced design of concrete structures. In the present investigation, QR (Quick Response) code based random speckle pattern is used as a non-contact sensor, which is an innovative approach in the field of digital image correlation (DIC). A four-point bending test was performed on RC beams of size 1800 mm × 150 mm × 200 mm. Image processing was done using an open source Ncorr algorithm for the results obtained using random speckle pattern and QR code based random speckle pattern. Load-deflection curves of RC beams were plotted for the results obtained using both contact and non-contact (DIC) sensors, and further, Moment (M)-Curvature (κ) relationship of RC beams was developed. The loading curves obtained were used as input data for material model parameters in finite element analysis. In finite element method (FEM) based software, concrete damage plasticity (CDP) constitutive model is used to predict the realistic nonlinear quasi-static flexural behavior of RC beams for monotonic loading condition. The results obtained using QR code based DIC are observed to be on par with conventional results and FEM results.
Kalyana Rama, J.S.;Chauhan, D.R.;Sivakumar, M.V.N;Vasan, A.;Murthy, A. Ramachandra
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.1
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pp.59-69
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2017
The field of fracture mechanics has gained significance because of its ability to address the behaviour of cracks. Predicting the fracture properties of concrete based on experimental investigations is a challenge considering the quasi-brittle nature of concrete. So, there is a need for developing a standard numerical tool which predicts the fracture energy of concrete which is at par with experimental results. The present study is an attempt to evaluate the fracture energy and characteristic length for different grades of concrete using Concrete Damage Plasticity (CDP) model. Indian Standard and EUROCODE are used for the basic input parameters of concrete. Numerical evaluation is done using Finite Element Analysis Software ABAQUS/CAE. Hsu & Hsu and Saenz stress-strain models are adopted for the current study. Mesh sensitivity analysis is also carried to study the influence of type and size of elements on the overall accuracy of the solution. Different input parameters like dilatation angle, eccentricity are varied and their effect on fracture properties is addressed. The results indicated that the fracture properties of concrete for various grades can be accurately predicted without laboratory tests using CDP model.
The concrete damage plasticity (CDP) model is widely used to simulate concrete behaviour using either implicit or explicit analysis methods. To effectively execute the models and resolve convergence issues in implicit analysis, activating the viscosity parameter of this material model is a common practice. Despite the frequent application of implicit analysis to analyse concrete structures with the CDP model, the viscosity parameter significantly varies among available models and lacks consistency. The adjustment of the viscosity parameter at the element/structural level disregards its indirect impact on the material. Therefore, the accuracy of the numerical model is confined to the validated range and might not hold true for other values, often explored in parametric studies subsequent to validations. To address these challenges and develop a unified numerical model for varied conditions, a quasi-static analysis using the explicit solver was conducted in this study. Fifteen thick flat plates tested under load control with different geometries and different eccentric loads were considered to verify the accuracy of the model. The study first investigated various concrete material behaviours under compression and tension as well as the concrete tensile strength to identify the most reliable models from previous methodologies. The study compared the results using both implicit and explicit analysis. It was found that, in implicit analysis, the viscosity parameter should be as low as 0.0001 to avoid affecting material properties. However, at the structural level, the optimum value may need adjustment between 0.00001 to 0.0001 with changing geometries and loading type. This observation raises concerns about further parametric study if the specific value of the viscosity parameter is used. Additionally, activating the viscosity parameter in load control simulations confirmed its inability to capture the peak load. Conversely, the unified explicit model accurately simulated the behaviour of the test specimens under varying geometries, load eccentricities, and column sizes. This study recommends restricting implicit solutions to the viscosity values proposed in this research. Alternatively, for highly nonlinear problems under load control simulation, explicit analysis stands as an effective approach, ensuring unified parameters across a wide range of applications without convergence problems.
Halahla, Abdulsamee M.;Rahman, Muhammad K.;Al-Gadhib, Ali H.;Al-Osta, Mohammed A.;Baluch, Mohammed H.
Earthquakes and Structures
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v.17
no.4
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pp.337-354
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2019
This paper presents the results of experimental and numerical studies conducted to investigate the behavior of exterior reinforced concrete beam column joints (BCJ) strengthened by using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets. Twelve reinforced concrete beam-column joints (BCJ) were tested in an experimental program by simulating the joints in seismically deficient old buildings. One group of BCJs was designed to fail in flexure at the BCJ interface, and the second group was designed to ensure joint shear failure. One specimen in each set was -retrofitted with CFRP sheet wrapped diagonally around the joint. The specimens were subjected to both monotonic and cyclic loading up to failure. 3D finite element simulation of the BCJs tested in the experimental program was carried out using the software ABAQUS, adopting the damage plasticity model (CDP) for concrete. The experimental results showed that retrofitting of the shear deficient, BCJs by CFRP sheets enhanced the strength and ductility and the failure mode changed from shear failure in the joints to the desired flexural failure in the beam segment. The FE simulation of BCJs showed a good agreement with the experimental results, which indicated that the CDP model could be used to model the problems of the monotonic and cyclic loading of beam-column reinforced concrete joints.
Kota, Sai Kubair;Rama, J.S. Kalyana;Murthy, A. Ramachandra
Earthquakes and Structures
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v.17
no.2
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pp.221-232
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2019
Material non-linearity of Reinforced Concrete (RC) framed structures is studied by modelling concrete using the Concrete Damage Plasticity (CDP) theory. The stress-strain data of concrete in compression is modelled using the Hsu model. The structures are analyzed using a finite element approach by modelling them in ABAQUS / CAE. Single bay single storey RC frames, designed according to Indian Standard (IS):456:2000 and IS:13920:2016 are considered for assessing their maximum load carrying capacity and failure behavior under the influence of gravity loads and lateral loads. It is found that the CDP model is effective in predicting the failure behaviors of RC frame structures. Under the influence of the lateral load, the structure designed according to IS:13920 had a higher load carrying capacity when compared with the structure designed according to IS:456. Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) strip is used for strengthening the columns and beam column joints of the RC frame individually against lateral loads. 10mm and 20mm thick strips are adopted for the numerical simulation of RC column and beam-column joint. Results obtained from the study indicated that UHPFRC with two different thickness strips acts as a very good strengthening material in increasing the load carrying capacity of columns and beam-column joint by more than 5%. UHPFRC also improved the performance of the RC frames against lateral loads with an increase of more than 3.5% with the two different strips adopted. 20 mm thick strip is found to be an ideal size to enhance the load carrying capacity of the columns and beam-column joints. Among the strengthening locations adopted in the study, column strengthening is found to be more efficient when compared with the beam column joint strengthening.
Nohutcu, H.;Hokelekli, E.;Ercan, E.;Demir, A.;Altintas, G.
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.5
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pp.653-660
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2017
The aim of this study is to accurately estimate seismic damage and the collapse mechanism of the historical stone masonry minaret "Hafsa Sultan", which was built in 1522. Surveying measurements and material tests were conducted to obtain a 3D solid model and the mechanical properties of the components of the minaret. The initial Finite Element (FE) model is analyzed and numerical dynamic characteristics of the minaret are obtained. The Operational Modal Analysis (OMA) method is conducted to obtain the experimental dynamic characteristics of the minaret and the initial FE model is calibrated by using the experimental results. Then, linear time history (LTH) and nonlinear time history (NLTH) analyses are carried out on the calibrated FE model by using two different ground motions. Iron clamps which used as connection element between the stones of the minaret considerably increase the tensile strength of the masonry system. The Concrete Damage Plasticity (CDP) model is selected in the nonlinear analyses in ABAQUS. The analyses conducted indicate that the results of the linear analyses are not as realistic as the nonlinear analysis results when compared with existing damage.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.11
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pp.771-776
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2020
In this study, the flexural/shear behavior characteristics of perfobond FRP-concrete composite beams using an FRP plate with perforated webs as formwork and reinforcement are analyzed through an analytical method. Compared with the existing experimental results, we have proved its usefulness and use it in future practice. When the nonlinearity is very large in this case, the nonlinear finite element analysis by an explicit method will be effective. The concrete damage plasticity (CDP) model adopted in this study is considered to be able to adequately simulate the nonlinear behavior of concrete, and the determination of several variable factors required in the model is compared with the experimental results and values used in the study. This recommendation will require review and adjustment for more diverse cases. The effect of the perfobond of the composite beam with perforated web is considered to be somewhat effective in terms of securing the initial stiffness, but in the case of the apex, it is considered that the cross-sectional loss and the effect of improving the bonding force should be properly arranged. The contact problem, such as slipping of the FRP plate and concrete, is considered to be one of the reasons that the initial stiffness is slightly larger than the test result, and the slightly difference from the experimental results is attributed to the separation problem between concrete and FRP after the peak.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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