In the context of an increasing need for reliability and safety in concrete structures under blast and impact loading condition, high strain rate behavior of concrete is an important issue for civil engineers.
Material properties of concrete such as strength, young’s modulus and critical strain depend on applied strain rate. Under impact load condition having high strain rate, concrete shows quite different behavior compared to that in the static state. Therefore, several models are proposed to describe the high strain rate behavior of concrete. Many engineers make efforts for modeling blast and impact load with these high strain rate material models. Simulation for high strain-rate condition is quite sensitive to applied mesh size. This mesh-dependency is dealt by user’s skill without criteria. In this reason, with same setting of simulation, accuracy of simulation results varies whoever models the mesh of simulations. This problem will be solved with modified equation for mesh-dependency to guarantee accuracy of simulation results.
In this research, HJC, CSC, K&C models are examined by comparison of simulation results with experimental results using LS-DYNA. The main subject of simulation is the penetration test of a concrete plate under a projectile (bullet), and residual velocity after penetration is compared with initial velocity of projectile. In this process, we check the results according to mesh size ratio of plate and projectile to verify mesh-dependency of high strain rate simulation. Subsequently, the modified equation for mesh-dependency to assure accuracy of high strain rate simulation will be proposed. Unique failure strain values for each mesh size are proposed by this modified equation which is based on fracture energy theory. Accuracy of high strain rate simulation will be made by using unique failure strain for each mesh size.
폭발 및 충격하중을 받는 콘크리트 구조물의 안전에 대한 필요가 증가함에 따라 콘크리트의 고율변형 거동을 파악하는 것이 중요한 과제가 되었다.
강도, 탄성계수, 임계변형율 값 등과 같은 콘크리트의 물성이 변형률속도에 따라 변화하고 이로 인해 고율변형률을 갖는 충격하중 상태에서 콘크리트는 기존의 정적인 상태와는 전혀다른 거동을 보인다. 따라서 이러한 고유한 거동을 묘사하기위해 많은 재료모델들이 재안되었다. 많은 연구자들이 시뮬레이션을 통해 고율변형재료모델을 사용하여 폭발 및 충격하중을 수치해석하는데 노력을 기울이고 있다. 여기서 발생하는 문제가 mesh 의존성 문제이다. 이러한 고율변형 수치해석은 적용되는 mesh 크기에 따라 전혀다른 결과를 도출해낸다. 그러나 mesh의 크기에 대해서는 뚜렷한 기준 없이 사용자의 경험적 측면에 맡겨지고있는 실정이다. 본 연구에서 제안된 수정식을 통해 이러한 mesh 의존성을 상당부분 감소 시킬수 있을 것이다.
본 연구에서는 HJC, CSC, K&C 모델에 대해 LS-DYNA를 통해 관통시뮬레이션을 진행하여 초기속도에 대한 잔류속도를 측정하였다. 포탄의 형상을 변화시키고 mesh 크기를 변화시키면서 잔류속도가 어떻게 변화가는 지를 관찰하여 모델별, 형상별, mesh를 변화시키는 개체별 mesh 의존성의 경향을 파악하였다. 이러한 mesh 의존성을 파악하는 척도가 되는 인자로는 포탄의 mesh 넓이를 하판의 mesh 넓이로 나눈 mesh 넓이비라는 인자를 사용하였다. 또한 이러한 mesh 의존성을 해결하기 위해 파괴 에너지적 관점에서 접근하여 mesh 크기에 따른 파괴변형률을 보정해주는 보정식을 제안하였다. 각기 다른 mesh 크기에 대해 파괴변형률을 보정해 줌으로써 시뮬레이션의 결과의 신뢰성을 향상시킬수 있을 것이다.
