The Effect of Strain Rate on the Dynamic Mechanical Behaviour of Concrete

Abstract

The fast-growing population of mankind has brought out household needs and working structures that might be subjected to static and dynamic loads. Impact loads and repetitive dynamic loads can produce an overload on the structures in a very short period that causes relentless casualties and unfortunate property losses. The response of the concrete material on strain rate increase is critical. The dynamic characterization of concrete, lack of adequate and consistent study causes disagreement about strain rate sensitivity of concrete, so a consensus has not been reached. In this study, quasi-static (3.55x10-5, 3.23x10-4, and 2.97x10-3 s-1) and high strain rate (140-250 s-1) tests were conducted and the effect of strain rate on the mechanical behavior of concrete was investigated both experimental and numerical. A modified Split Hopkinson Pressure Bar test setup was used, by using an EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomers) rubber pulse shaper, non-oscillatory results and nearly constant strain rate were reached, and premature failure was prevented. Modeling the test setup was conducted in Ls-Dyna and the Holmquist-Johnson Cook material model parameters were found. A good agreement between experimental and numerical results was reached. The strength enhancements of concrete material, while increasing strain rate was noticed. Using both experimental and numerical studies, the total strength increase is due to inertia effect and strain rate sensitivity effects were observed.

İnsanlığın hızlı büyüyen nüfusu, statik ve dinamik yüklere maruz kalabilecek barınak ve çalışma alanı ihtiyaçlarını ortaya çıkardı. Darbe yükleri ve tekrarlayan dinamik yükler, çok kısa bir sürede yapılarda aşırı yükler yaratabilir ve bu da talihsiz kayıplara ve yüklü mal kayıplarına neden olabilir. Beton malzemenin şekil değiştirme hızı artışı üzerine tepkisi kritiktir. Betonun dinamik karakterizasyonu ile ilgili yeterli ve tutarlı çalışmanın olmaması, betonun gerilme oranı hassasiyeti konusunda anlaşmazlıklar olması dolayısıyla ortak bir fikir birliğine ulaşılamamıştır. Bu çalışmada, yarı statik (3.55x10-5, 3.23x10-4, ve 2.97x10-3 s-1) ve yüksek şekil değiştirme hızları (140-250 s-1) testleri yapılmış ve şekil değiştirme hızının betonun mekanik davranışına etkisi hem deneysel hem de nümerik olarak incelenmiştir. Modifiye edilmiş Split Hopkinson Basınç Çubuğu test düzeneği kullanılmıştır, EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomers) kauçuk malzemeden yapılmış, alan gerilme dalgası şekillendirici kullanılarak, gürültüsüz sonuçlar elde edilmiş ve neredeyse sabit şekil değiştirme hızına ulaşılmış ve prematüre kırılma önlenmiştir. Test düzeneğinin modellenmesi Ls-Dyna' da yapılmış olup Holmquist-Johnson Cook malzeme modeli parametreleri bulunmuştur. Deneysel ve nümerik sonuçlar arasında tutarlılık olduğu saptandı. Beton malzemenin, artan şekil değiştirme hızı ile mukavemetinin de arttığı fark edilmiştir. Deneysel ve nümerik çalışmalar kullanılarak, toplam mukavemet artışının hem atalet etkisinden hem de şekil değiştirme hızı hassasiyeti etkisinden kaynaklanmakta ve bunlara duyarlı olduğu gözlemlenmiştir.