In this paper, we modify the L-L model (Li et al. 2003) and extend the application of this model to concrete confined by both steel reinforcement and CFRP. Thirty-six concrete cylinders with a dimension of ${\varphi}30{\times}60$ cm were tested to verify the effectiveness of the proposed model. The experimental test results show that different types of steel reinforcement have a great effect on the compressive strength of concrete cylinders confined by steel reinforcement, but the different types of steel reinforcement have very little effect on concrete cylinders confined by both steel reinforcement and CFRP. Compared with the stress-strain curves of confined concrete cylinders, we can conclude that the proposed model can provide more effective prediction than others models.
The flow stress of 304 stainless steel during hot forming process were determined by conducting hot compression tests at the range of 1273 K∼1423 K and 0.05 /s∼2.0 /s as these are typical temperature and strain rate in hot forging operation. In this material, Dynamic recrystallization was found to be the major softening mechanism with this conditions as Previous studies. Based on the observed phenomena, a constitutive model of flow stress was assumed as a function of strain, strain rate, temperature. In the constitutive model, the effects of strain hardening and dynamic recrystallization were taken into consideration. A finite element method connected to constitutive model was performed to predict the dynamic recrystallization behaviors and also stress-strain curves in hot compression of 304 stainless steel.
Modified two-surface model (M2SM) is one of the steel elasto-plastic hysteretic constitutive models that consider both analysis accuracy and efficiency. However, when M2SM is used for complex strain history, sometimes the results are irrational due to the limitation of stress-strain path judgment. In this paper, the defect of M2SM was re-modified by improving the judgment of stress-strain paths. The accuracy and applicability of the improved method were verified on both material and structural level. Based on this improvement, the nonlinear time-history analysis was carried out for a deck-through steel arch bridge with a 200 m-long span under the ground motions of Chi-Chi earthquake and Niigata earthquake. In the analysis, we compared the results obtained by hysteretic constitutive models of improved two-surface model (I2SM) presented in this paper, M2SM and the bilinear kinematic hardening model (BKHM). Results show that, although the analysis precision of displacement response of different steel hysteretic models differs little from each other, the stress-strain responses of the structure are affected by steel hysteretic models apparently. The difference between the stress-strain responses obtained by I2SM and M2SM cannot be neglected. In significantly damaged areas, BKHM gives smaller stress result and obviously different strain response compared with I2SM and M2SM, and tends to overestimate the effect of hysteretic energy dissipation. Moreover, at some position with severe damage, BKHM may underestimate the size of seismic damaged areas. Different steel hysteretic models also have influences on structural damage evaluation results based on deformation behavior and low cycle fatigue, and may lead to completely different judgment of failure, especially in severely damaged areas.
Generally, the structural material shows rate dependent behaviors, which require to constitute different strain-stress relations according to strain rates. Conventional rate- independent constitutive equations used in general purpose finite analysis programs are inadequate for dynamic finite strain problems. In this paper, a rate dependent constitutive equation for elastic-plastic material was developed. The plastic stretch rate was modeled based on slip model with dislocation velocity and density so that there is no yielding condition, and no loading conditions. Non-linear hardening rule was also introduced for finite strain. Material constants of present constitutive equation were determined by experimental data of mild steel. The constitutive equation was applied to uniaxile tension. It was appeared that the present constitutive equation well simulates rate dependent behaviors of mild steel.
Constitutive modeling that could reasonably predict and effectively evaluate the post-peak structural behavior while eliminating the mesh-dependency in numerical simulation remains to be developed for general engineering applications. Based on the previous work, a simple one-dimensional modeling procedure is proposed to predict and evaluate the post-peak response, as characterized by the evolution of localized strain field, of a steel member to monotonically uniaxial tension. The proposed model extends the classic one-dimensional softening with localization model as introduced by (Schreyer and Chen 1986) to account for the localization length, and bifurcation and rupture points. The new findings of this research are as follows. Two types of strain-softening functions (bilinear and nonlinear) are proposed for comparison. The new failure criterion corresponding to the constitutive modeling is formulated based on the engineering strain inside the localization zone at rupture. Furthermore, a new mathematical expression is developed, based on the strain rate inside and outside the localization zone, to describe the displacement field at which bifurcation occurs. The model solutions are compared with the experimental data on four low-carbon cylindrical steel bars of different lengths. For engineering applications, the model solutions are also compared to the experimental data of a cylindrical steel bar system (three steel bars arranged in series). It is shown that the bilinear and nonlinear softening models can predict the energy dissipation in the post-peak regime with an average difference of only 4%.
Golpasand, Gholamreza B.;Farzam, Masood;Shishvan, Siamak S.
Computers and Concrete
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제25권2호
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pp.181-192
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2020
Nowadays, steel fiber reinforced concretes (SFRCs) are widely used in practical applications. Significant experimental research has thus been carried out to determine the constitutive equations that represent the behavior of SFRCs under multiaxial loadings. However, numerical modelling of SFRCs via FEM has been challenging due to the complexities of the implementation of these constitutive equations. In this study, following the literature, a plasticity model is constructed for the behavior of SFRCs that involves the Willam-Warnke failure surface with the relevant evolution laws and a non-associated flow rule for determining the plastic deformations. For the precise (yet rapid) integration of the constitutive equations, an explicit substepping scheme consisting of yield intersection and drift correction algorithms is employed and thus implemented in ABAQUS via UMAT. The FEM model includes various material parameters that are determined from the experimental data. Three sets of parameters are used in the numerical simulations. While the first set is from the experiments that are conducted in this study on SFRC specimens with various contents of steel fibers, the other two sets are from the experiments reported in the literature. The response of SFRCs under multiaxial compression obtained from various numerical simulations are compared with the experimental data. The good agreement between numerical results and the experimental data indicates that not only the adopted plasticity model represents the behavior of SFRCs very well but also the implemented integration scheme can be employed in practical applications of SFRCs.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제6권2호
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pp.101-110
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2012
This paper focuses on the finite element (FE) response sensitivity and reliability analyses considering smooth constitutive material models. A reinforced concrete frame is modeled for FE sensitivity analysis followed by direct differentiation method under both static and dynamic load cases. Later, the reliability analysis is performed to predict the seismic behavior of the frame. Displacement sensitivity discontinuities are observed along the pseudo-time axis using non-smooth concrete and reinforcing steel model under quasi-static loading. However, the smooth materials show continuity in response sensitivity at elastic to plastic transition points. The normalized sensitivity results are also used to measure the relative importance of the material parameters on the structural responses. In FE reliability analysis, the influence of smoothness behavior of reinforcing steel is carefully noticed. More efficient and reasonable reliability estimation can be achieved by using smooth material model compare with bilinear material constitutive model.
The mechanical properties of the most widely used cryogenic materials, i.e. austenitic stainless steel (ASS), aluminum alloy and invar steel, strongly depend on temperatures and strain rates. These phenomena show very complicated non-linear behaviors and cannot be expressed by general constitutive equation. In this study, an unified constitutive equation was proposed to represent the effect of temperature and strain rate on the materials. The proposed constitutive equation has been based on Tomita/Iwamoto and Bodner/Partom model for the expression of 2nd hardening due to martensite phase transformation of ASS. To simulate ductile fracture, modified Bodner/Chan damage model was additionally applied to the model and the model validity was verified by comparison of experimental and simulation results.
The application of shape memory alloys (SMAs) to the seismic response reduction of civil engineering structures has attracted growing interest due to their self-centering feature and excellent fatigue performance. The loading rate dependence of SMAs raises a concern in the seismic analysis of SMA-based devices. However, the implementation of micromechanics-based strain-rate-dependent constitutive models in structural analysis software is rather complicated and computationally demanding. This paper investigates the feasibility of replacing complex rate-dependent models with rate-independent constitutive models for superelastic SMA elements in seismic time-history analysis. Three uniaxial constitutive models for superelastic SMAs, including one rate-dependent thermomechanical model and two rate-independent phenomenological models, are considered in this comparative study. The pros and cons of the three nonlinear constitutive models are also discussed. A parametric study of single-degree-of-freedom systems with different initial periods and strength reduction factors is conducted to examine the effect of the three constitutive models on seismic simulations. Additionally, nonlinear time-history analyses of a three-story prototype steel frame building with special SMA-based damping braces are performed. Two suites of seismic records that correspond to frequent and design basis earthquakes are used as base excitations in the seismic analyses of steel-braced frames. The results of this study show that the rate-independent constitutive models, with their parameters properly tuned to dynamic test data, are able to predict the seismic responses of structures with SMA-based seismic response modification devices.
The objective of this paper is to investigate the confinement coefficient of concrete-filled square stainless steel tubular (CFSSST) stub columns under axial loading. A fine finite 3D solid element model was established, which utilized a constitutive model of stainless steel considering the strain-hardening characteristics and a triaxial plastic-damage constitutive model of concrete with features of the parameter certainty under axial compression. The finite element analysis results revealed that the increased ultimate bearing capacity of CFSSST stub columns compared with their carbon steel counterparts was mainly due to that the composite action of CFSSST stub columns is stronger than that of carbon steel counterparts. A further parametric study was carried out based on the verified model, and it was found that the stress contribution of the stainless steel tube is higher than the carbon steel tube. The stress nephogram was simplified reasonably in accordance with the limit state of core concrete and a theoretical formula was proposed to estimate the ultimate bearing capacity of square CFSSST stub columns using superposition method. The predicted results showed satisfactory agreement with both the experimental and FE results. Finally, the comparisons of the experimental and predicted results using the proposed formula and the existing codes were illustrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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