In the Part 1 paper (Gawin, et al. 2005) some experimental results concerning micro-structural tests, permeability measurements and stress-strain tests of four types of High Performance Concrete, exposed to elevated temperatures (up to $700^{\circ}C$) are presented and discussed. On the basis of these experimental results parameters of the constitutive relationships describing influence of damage and temperature upon material intrinsic permeability at high temperature were determined. In this paper the effects of various formulations of damage-permeability coupling on results of computer simulations are analysed and compared with the results obtained by means of the previously proposed approach, that does not take into account the thermo-chemical concrete damage directly. Numerical solutions are obtained using the recently developed fully coupled model of hygro-thermal and damage phenomena in concrete at elevated temperatures. High temperature effects are considered by means of temperature and pressure dependence of several material parameters. Based on the mathematical model, the computer code HITECOSP was developed. Material parameters of the model were measured by several European laboratories, which participated in the "HITECO" research project. A model problem, concerning hygro-thermal behaviour and degradation of a HPC structure during fire, is solved. The influence of two different constitutive descriptions of the concrete permeability changes at high temperature, including thermo-chemical and mechanical damage effects, upon the results of computer simulations is analysed and discussed.
The predictive utility of a damage model depends heavily on its particular choice of a damage variable, which serves as a macroscopic approximation in describing the underlying micromechanical processes of microdefects. In the case of spatially perfectly randomly distributed microcracks or microvoids in all directions, isotropic damage model is an appropriate choice, and scalar damage variables were widely used for isotropic or one-dimensional phenomenological damage models. The simplicity of a scalar damage representation is indeed very attractive. However, a scalar damage model is of somewhat limited use in practice. In order to entirely characterize the isotropic damage behaviors of damaged materials in multidimensional space, a system theory of isotropic double scalar damage variables, including the expressions of specific damage energy release rate, the coupled constitutive equations corresponding to damage, the conditions of admissibility for two scalar damage effective tensors within the framework of the thermodynamics of irreversible processes, was provided and analyzed in this study. Compared with the former studies, the theoretical formulations of double scalar damage variables in this study are given in the form of matrix, which has many features such as simpleness, directness, convenience and programmable characteristics. It is worth mentioning that the above-mentioned theoretical formulations are only logically reasonable. Owing to the limitations of time, conditions, funds, etc. they should be subject to multifaceted experiments before their innovative significance can be fully verified. The current level of research can be regarded as an exploratory attempt in this field.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1994.04a
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pp.91-96
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1994
The growth and propagation of microcracks existed in concrete cause failure of concrete. This is called "damage". The concepts of two principles, equivalent strain principle and equivalent energy principle, are reviewed and compared in the case of uniaxial compressior to concrete. The damage evolution law and constitutive equation are derived by using the Helmholz free energy and the dissipation potential by means of the thermodynamic principles.rinciples.
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.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.1
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pp.145-156
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1993
An improved analysis model for material nonlinearity induced by elasto-plastic deformation and damage including large strain response was proposed. The elasto-plastic-damage constitutive model based on the continuum damage mechanics approach was adopted to overcome limitations of the conventional plastic theory, which can manage the anisotropic tonsorial damages evolved during time-independent plastic deformation process of materials. Updated Lagrangian finite element formulation for elasto-plastic damage coupling problem including large deformation, large rotation and large strain problems was completed to develop a numerical model which can predict all kinds of structural nonlinearities and damage rationally. Finally, a finite element analysis code for the 2-dimensional plane problem was developed and the applicability and validity of the numerical model was investigated through some numerial examples. Calculations showed reasonable results in both geometrical nonlinear problem due to large deformation and material nonlinearity including the damage effect.
The paper deals with a model founded on the physical processes in concrete subject to high temperatures. The model is developed in the framework of continuum damage mechanics and the theory of porous media and is demonstrated on selected structures. The model comprises balance equations for heat transfer, mass transfer of water and vapour, for linear momentum and for reaction. The balance equations are completed by constitutive equations considering the special behaviour of concrete at high temperatures. Furthermore, the limitation and decline of admissible stresses is achieved by using a composed, temperature depending crack surface with a formulation for the damage evolution. Finally, the complete coupled model is applied to several structures and to different concrete in order to determine their influence on the high-temperature-behaviour.
Concrete are the most widely used manmade materials for infrastructure construction across the world. These constructions gradually aged and damaged due to long-term use. However, there does not exist an efficient concrete recycling method with low energy consumption. In this study, concrete was regarded as a heterogeneous material composed of coarse aggregate and cement mortar. And the failure mode of concrete under ultrasonic dynamic loading was investigated by finite element (FE) analysis. Simultaneously, a 3D random aggregate concrete model was programmed by APDL and imported into ABAQUS software, and the damage plastic constitutive model was applied to each phase to study the damage law of concrete under dynamic loading. Meanwhile, the dynamic damage process of concrete was numerically simulated, which observed ultrasonic propagating and the concrete crushing behavior. Finally, the FE simulation considering the influence of different aggregate volume and aggregate size was carried out to illustrate the damage level of concrete.
Two enhancements to a recently developed plastic-damage-contact model for concrete are presented. The model itself, which uses planes of degradation that can undergo damage and separation but that can regain contact according to a contact law, is described. The first enhancement is a new damage evolution function which provides a completely smooth transition from the undamaged to the damaged state and from pre-peak to post-peak regions. The second is an improved contact function that governs the potential degree of contact with increasing opening on a crack plane. The use of a damage evolution function with a pre-peak has implications for the consistent tangent matrix/stress recovery algorithm developed for the model implementation, and amendments to this algorithm to accommodate the new function are described. A series of unpublished experimental tests on notched specimens undertaken in Cardiff in the mid 1990s are then described. These include notched beam tests as well as prismatic and cylindrical torsion tests. The tests are then considered in three dimensional finite element analyses using the modified Craft model implemented in the finite element program LUSAS. Comparisons between experimental and numerical data show reasonable agreement except that the numerical simulations do not fully describe the latter stages of the softening responses for the torsion examples. Finally, it is concluded that the torsion tests described provide useful benchmark examples for the validation of three-dimensional numerical models for concrete.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.5
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pp.437-445
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2016
Recently, polyurethane foam has been used in various industry fields to preserve temperature environment of structures, and a wide range of loads from the static to the dynamic are imposed on the material during a life period. The biggest characteristic of polyurethane foam is porosity as being polymeric material, and it is generally known that insulation performance of the material strongly depends on internal void size. In addition, polyurethane foam's mechanical behavior has high dependence on strain rate and temperature as well as being highly non-linear ductile for compression. In the non-linear compressive behavior, volume fraction of voids and elastic modulus decrease as strain increases. Therefore, in this study, temperature-dependent viscoplastic-damage constitutive model was developed to describe the non-linear compressive behavior with the aforementioned features of polyurethane foam.
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