Rukavina, Ivan;Ibrahimbegovic, Adnan;Do, Xuan Nam;Markovic, Damijan
Coupled systems mechanics
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v.8
no.2
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pp.111-127
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2019
In this paper, we present a 2D multi-scale coupling computation procedure for localized failure. When modeling the behavior of a structure by a multi-scale method, the macro-scale is used to describe the homogenized response of the structure, and the micro-scale to describe the details of the behavior on the smaller scale of the material where some inelastic mechanisms, like damage or plasticity, can be defined. The micro-scale mesh is defined for each multi-scale element in a way to fit entirely inside it. The two scales are coupled by imposing the constraint on the displacement field over their interface. An embedded discontinuity is implemented in the macro-scale element to capture the softening behavior happening on the micro-scale. The computation is performed using the operator split solution procedure on both scales.
The paper presents experimental and numerical investigations of prefabricated composite structural building reinforced concrete slabs with the insulating material for a residential building construction. The building slabs were composed of concrete and expanded polystyrene. In experiments, the slabs in the full-scale 1:1 were subjected to vertical concentrated loads and failed along a diagonal shear crack. The experiments were numerically evaluated using the finite element method based on two different constitutive continuum models for concrete. First, an elasto-plastic model with the Drucker-Prager criterion defined in compression and with the Rankine criterion defined in tension was used. Second, a coupled elasto-plastic-damage formulation based on the strain equivalence hypothesis was used. In order to describe strain localization in concrete, both models were enhanced in the softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Attention was paid to the formation of critical diagonal shear crack which was a failure precursor.
Finite element simulations of solid mechanics problems often involve the use of Non-Confirming Meshes (NCM) to increase accuracy in capturing nonlinear behavior, including damage and plasticity, in part of a solid domain without an undue increase in computational costs. In the presence of material nonlinearity and plasticity, higher-order variables are often needed to capture nonlinear behavior and material history on non-conforming interfaces. The most popular formulations for coupling non-conforming meshes are dual methods that involve the interpolation of a traction field on the interface. These methods are subject to the Ladyzhenskaya-Babuska-Brezzi (LBB) stability condition, and are therefore limited in their implementation with the higher-order elements needed to capture nonlinear material behavior. Alternatively, the enriched discontinuous Galerkin approach (EDGA) (Haikal and Hjelmstad 2010) is a primal method that provides higher order kinematic fields on the interface, and in which interface tractions are computed from local finite element estimates, therefore facilitating its implementation with nonlinear material models. The inclusion of higher-order interface variables, however, presents the issue of preserving material history at integration points when a increase in integration order is needed. In this study, the enriched discontinuous Galerkin approach (EDGA) is extended to the case of small-deformation plasticity. An interface-driven Gauss-Kronrod integration rule is proposed to enable adaptive enrichment on the interface while preserving history-dependent material data at existing integration points. The method is implemented using classical J2 plasticity theory as well as the pressure-dependent Drucker-Prager material model. We show that an efficient treatment of interface variables can improve algorithmic performance and provide a consistent approach for coupling non-conforming meshes in inelasticity.
When strong seismic forces act on reinforced concrete structures, their beam-column connections are very susceptible to damage during the earthquake event. The aim of this numerical work is to evaluate the influence of the internal steel reinforcement array on the nonlinear response of a RC beam-column connection when it is subjected to strong cyclic loading -as a seismic load. For this, two specimens (extracted from an experimental test of 12 RC beam-column connections reported in literature) were modeled in the Finite Element code FEAP considering different stirrup's arrays. In order to evaluate the nonlinear response of the RC beam-column connection, the 2D model takes into account the nonlinear thermodynamic behavior of each component: for concrete, a damage model is used; for steel reinforcement, it is adopted a classical plasticity model; in the case of the steel-concrete bonding, this one is considered perfect without degradation. At the end, we show a comparison between the experimental test's responses and the numerical results, which includes the distribution of shear stresses and damage inside the concrete core of the beam-column connection; in the other hand, the effects on the connection of a low and high state of confinement are analyzed for all cases.
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.
In the present paper, the behavior of the Karaj double curvature arch dam is studied focusing on the effects of structural nonlinearity on the responses of the dam body when an underwater explosion occurred in the reservoir medium. The explosive sources are located at different distances from the dam and the effects of the cavitation and the initial shock wave of the explosion are considered. Different amount of TNT are considered. Two different linear and nonlinear behavior are assumed in the analysis and the dam body is assumed with and without contraction joints. Radial, tangential and vertical displacements of the dam crest are obtained. Moreover, maximum and minimum principal stress distributions are plotted. Based on the results, the dam body responses are sensitive to the insertion of joints and constitutive model considered for the dam body.
Hybrid girders can be constructed in different geometrical forms and from different materials. Selection of beam's effective constellation represents a complex process considering the variations of geometrical parameters, changes of built in material characteristics and their mutual relations, which has important effect on the behavior of the girder. This paper presents the theoretical and experimental research on behavior of the timber-steel hybrid girders' different geometrical constellation with external prestressing and in different conditions of timber moisture. These researches are based on linear elastic analysis, and further refine by using the plasticity and damage models.
The focus of this research effort was characterization of the flexural and tensile properties of a specific ultra-high-strength, fiber-reinforced concrete material. The material exhibited a mean unconfined compressive strength of approximately 140 MPa and was reinforced with short, randomly distributed alkali resistant glass fibers. As a part of the study, coupled experimental, analytical and numerical investigations were performed. Flexural and direct tension tests were first conducted to experimentally characterize material behavior. Following experimentation, a micromechanically-based analytical model was utilized to calculate the material's tensile failure response, which was compared to the experimental results. Lastly, to investigate the relationship between the tensile failure and flexural response, a numerical analysis of the flexural experiments was performed utilizing the experimentally developed tensile failure function. Results of the experimental, analytical and numerical investigations are presented herein.
To reduce the weight of the vehicle, the application of the high strength steel sheets to chassis parts is increased. High forming load is induced during the shearing process of steel chassis parts made of high strength steel, and the possibility of an eccentric load is increased depending on the product seating condition on the die, which decreases the stability and lifespan of the die. In this paper, a three-dimensional finite element analysis with the continuum element was conducted using the damage theory for the cam-trimming process of the front lower arm. The structural analysis of the trimming die was performed with the forming load result obtained from the analysis, and the amount of deflection and the stress distribution of the die during the shearing process were evaluated for the confirmation of the tool stability. The shape of the weak region of the die was modified according to structural analysis and then the stability was confirmed with the finite element analysis. The analysis result showed that the possibility of tool failure during cam-trimming process was remarkably reduced, and the reliability of the proposed modified design was validated.
The numerical investigations have been carried out on reinforced concrete slab against blast loading to demonstrate the accuracy and effectiveness of the finite element based numerical models using commercial package ABAQUS. The response of reinforced concrete slab have been studied against the influence of weight of TNT, standoff distance, boundary conditions, influence of air blast and surface blast. The results thus obtained from simulations were compared with the experiments available in literature. The inelastic behavior of concrete and steel reinforcement bar has been incorporated through concrete damage plasticity model and Johnson-cook models available in ABAQUS were presented. The predicted results through numerical simulations of the present study were found in close agreement with the experimental results. The damage mechanism and stress response of target were assessed based on the intensity of deformations, impulse velocity, von-Mises stresses and damage index in concrete. The results indicate that the standoff distance has great influence on the survivability of RC slab against blast loading. It is concluded that the velocity of impulse wave was found to be decreased from 17 to 11 m/s when the mass of TNT is reduced from 12 to 6 kg. It is observed that the maximum stress in the concrete was found to be in the range of 15 to $20N/mm^2$ and is almost constant for given charge weight. The slab with two short edge discontinuous end condition was found better and it may be utilised in designing important structures. Also it is observed that the deflection in slab by air blast was found decreased by 60% as compared to surface blast.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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