Material models and a failure criterion to predict the behavior of reinforced concrete (RC) structures subjected to impact or blast loading are introduced in this thesis, which is composed of two main topics.
In the first part, a failure criterion that can minimize the mesh-dependency of simulation results on the basis of the fracture energy concept is introduced, and conventional plasticity based damage models for concrete such as K&C model, CSC model and HJC model, which are generally used for the impact and blast analyses of concrete structures, are examined in perforation test to verify the proposed criterion. Consistent with the purpose of a perforation test for a concrete slab under a projectile (bullet) impact, the numerical prediction of the residual velocities of a projectile after perforation are compared with experimental results. Correlation studies between analytical results and associated parametric studies show that the variation of residual velocity with the used FE mesh size is substantially reduced and the accuracy of simulation results is improved by applying a unique failure strain value determined according to the proposed criterion. In the second part, a strain rate dependent orthotropic material model to describe the multi-axial behavior of concrete structures subjected to impact or blast loading is introduced in this thesis. The proposed model is based on the dynamic triaxial strength envelope and the dynamic increase factor (DIF) obtained from multi-axial dynamic experiments for concrete. Differently from the plasticity based models, an orthotropic material model, which is one of the elasticity based models, can easily be implemented in numerical formulations because the stress state is directly determined from the defined stress-strain relation. In advance, consideration of the mesh-dependency in a finite element (FE) analysis is included in the model to accurately describe the failure process of concrete structures. The strength envelope and stress-strain curves of the proposed orthotropic model were compared with the available experimental data under multi-axial stresses, and then numerical analyses were performed for a perforation test of a concrete slab subjected to a projectile and a blast test of concrete beam. The results show that the proposed orthotropic model can effectively be used in the impact and blast analyses of concrete structures and gives numerical results that are insensitive to the employed FE mesh size.
본 연구에서는 충격 및 폭발하중을 받는 RC 구조물의 거동을 예측할 수 있는 재료 모델과 mesh 의존성을 최소화 시켜주는 파괴기준식에 대한 2가지 재료 모델링에 대하여 연구를 수행하였다.
첫 번째 주제에서는 파괴에너지이론에 기초하여 발생하는 요소의존성을 최소화할 수 있는 기준식을 제안하고 보편적으로 사용되는 소성모델인 HJC, K&C, CSC 모델을 이용한 관통수치해석을 통해 제안된 기준식을 검증하였다. 관통수치해석과정에서 포탄의 초기속도에 대한 잔류속도를 실험결과와 비교하였으며 그 결과 기준식을 통해 산정된 파괴변형률을 수치해석상에 적용해줌으로써 해석결과의 요소의존성이 크게 감소하였고 해의 정확성 또한 향상되는 것을 파악할 수 있었다. 두 번째 주제에서는 충격 및 폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 거동을 묘사할 수 있는 직교이방성 콘크리트 재료모델을 제안하였다. 제안된 재료모델은 콘크리트의 다축 동적실험결과를 기반으로 DIF (Dynamic Increase Factor) 값과 삼축 동적파괴곡선을 기반으로 구성되었다. 제안된 재료모델은 기존 소성모델과 달리 탄성기반의 모델로 정의된 응력-변형률 곡선상에서 응력상태가 직접적으로 결정되기 때문에 쉽게 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 콘크리트 구조물의 파괴 과정을 정확히 묘사하기 위해 요소의존성을 최소화할 수 있는 기준식을 포함하고 있다. 제안된 모델의 파괴 곡선과 응력-변형률관계를 다축 동적실험결과와 비교하였고 관통수치해석과 폭발해석에 적용하여 그 타당성을 검증하였다. 그 결과 제안된 재료모델이 충격 및 폭발하중을 받는 콘크리트 구조물의 해석에 효과적으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 사용된 요소의 크기에 상관없이 좋은 결과를 보여준다는 것을 파악할 수 있었다.
