Material models for concrete and steel fiber reinforced concrete (SFRC) are introduced to simulate structural response of RC and SFRC slabs subjected to projectile impact or blast loading. First, a strain-rate-dependent orthotropic constitutive model that directly determines the stress state from the stress-strain relations defined from the biaxial strength envelope is considered. The proposed concrete model is incorporated in the two-dimensional finite element numerical formulation based on Mindlin plate theory. In order to cope with the development of large deformation concentrated within the plastic hinge region after yielding of reinforcement, the bond-slip effect is also taken into consideration by introducing modified bending stiffness, which is determined from the energy conservation law. To verify the validity of the numerical model, numerical results are compared with experimental data. In addition, an improved material model for SFRC structures subjected to impact and blast loads is proposed. Based on the previously introduced orthotropic model for plain concrete, a strain rate dependent material for SFRC under the dynamic multiaxial loads is developed to account for the effect derived from the addition of steel fibers in the concrete matrix. The constructed multiaxial strength envelope of SFRC is verified through correlation studies with experimental data, and improved failure strains in the uniaxial stress-strain relation are also introduced to minimize the mesh size dependency in the numerical results. Numerical analyses were performed for experiments of SFRC slabs under projectile impact and blast loadings, and the proposed model effectively simulates the structural responses of SFRC structures while minimizing the mesh size dependency in the numerical results.
본 연구에서는 충격 및 폭발하중을 받는 철근콘크리트(RC)와 강섬유 보강 콘크리트 슬래브(SFRC)의 거동을 예측할 수 있는 재료 모델을 소개하였다. 먼저, 2 축 강도 곡선을 이용하여 정의된 응력-변형률 관계로부터 응력 상태를 직접 결정하는 직교이등방성 콘크리트 모델을 고려하였다. 제안한 콘크리트 모델은 Mindlin 판 이론을 기반으로 2 차원 유한 요소 모델에 반영되었다. 또한, 철근 항복 이후 소성 힌지 영역에서 집중된 큰 변형 발달을 모사하기 위해 에너지 보존 법칙으로부터 결정된 수정된 휨강성을 도입하여 부착슬립의 영향을 고려하였다. 폭발 하중을 받는 RC 슬래브의 실험결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 해석 모델의 검증을 수행하였다. 이에 더하여 충격과 폭발 하중을 받는 SFRC 구조물의 재료 모델을 제안하였다. 일반 콘크리트에 대한 직교이등방성 모델을 기반으로 콘크리트 매트릭스에서 강섬유 보강으로 인한 물성 변화를 반영하기 위해 동적 다축 응력 하에서 변형률 속도에 의존하는 SFRC 의 재료 모델을 개발하였다. 실험 데이터와의 상관관계 연구를 통해 SFRC 의 다축 강도 곡선을 검증하였고, 수치해석에서 요소 의존성을 최소화하기 위해 1 축 응력-변형률 관계에서 개선된 파괴 변형률을 제안하였다. 충격 및 폭발하중 하에서 SFRC 슬래브의 실험에 대해 수치해석을 수행하였고, 그 결과 제안된 모델이 수치해석에서 요소의존성을 최소화하면서 SFRC 의 구조 거동을 효과적으로 모사함을 확인하였다.
