The Development of a New Testing Methodology in Dynamic Mechanical Chracterization of Concrete

Abstract

Concrete is one of the most used material types in the world. Due to its structural complexity and insufficient testing techniques, the dynamic mechanical behavior of concrete has not yet been revealed sufficiently. This thesis aims to develop reliable and accurate mechanical characterization methodology for concrete using the combination of experimental and numerical methods together. The dynamic mechanical characterization of concrete at quasi-static and high strain rates was performed implementing unique techniques for both experimental and numerical studies. In quasi-static testing, universal compression test machine was used with strain gage mounted specimen for better strain measurements. In high strain rate tests, two modifications were implemented on the conventional Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test apparatus. The first modification is the usage of pulse shaper to obtain nearly constant strain rate and dynamic stress equilibrium in the specimen. Second, piezo-electric quartz crystal force transducers were implemented on the specimen-bar interfaces to increase accuracy and sensitivity of the force measurement on the front and back forces of the specimen. Experimental results were validated constituting numerical study using finite element tool LS-DYNA. Concrete was modeled using Holmquist-Johnson-Cook (MAT_111) material model. HJC material model parameters were determined using experimental results coupling with the numerical analysis and the mechanical behavior of concrete was constituted. It was concluded that using pulse shaper and quartz crystals pretty useful when testing concrete and other brittle materials at high strain rates. Modification of new specimen geometries on numerical analysis showed better understandings of the effect of geometry on the dynamic stress equilibrium.

Beton, dünyada en çok kullanılan malzeme tiplerinden biridir. Yapısal karmaşıklığı ve yetersiz test teknikleri nedeniyle betonun dinamik mekanik davranışı henüz yeterince açığa çıkarılmamıştır. Bu çalışmada, deneysel ve sayısal yöntemler birlikte kullanılarak test metodolojisindeki iyileştirmelerle birlikte betonun güvenilir ve doğru bir mekanik karakterizasyonunun geliştirilmesi amaçlanmıştır. Kuasi-statik ve yüksek şekil değiştirme hızlarında betonun dinamik mekanik karakterizasyonu, hem deneysel hem de sayısal çalışmalarda özgün teknikler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kuasi-statik testler, daha iyi şekil değiştirme ölçümleri için gerinim ölçerler test numunesi üzerine yapıştırılarak üniversal basma cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yüksek şekil değiştirme hızlarındaki testlerde, konvansiyonel Split Hopkinson Basınç Barı (SHBB) test cihazında iki değişiklik yapılmıştır. İlk değişiklik, numunede neredeyse sabit şekil değiştirme hızı ve dinamik gerilme dengesi elde etmek için darbe şekillendiricinin kullanılmasıdır. İkinci değişiklik ise, numunenin ön ve arka kuvvetleri üzerindeki kuvvet ölçümünün doğruluğunu ve hassasiyetini arttırmak içsssin numune-bar arayüzlerine piezo-elektrik kuvartz kristal uygulamasıdır. Deneysel sonuçlar, sonlu elemanlar yazılımı LS-DYNA kullanılarak nümerik olarak doğrulanmıştır. Beton malzemesi, Holmquist-Johnson-Cook (MAT_111) malzeme modeli kullanılarak modellenmiştir. HJC malzeme modeli parametreleri, nümerik analiz ile deneysel sonuçlar kullanılarak belirlenmiş ve betonun dinamik mekanik yükler altındaki davranışı oluşturulmuştur. Darbe şekillendirici ve piezo-elektrik kuvars kristallerin yüksek şekil değiştirme hızı testlerinde beton ve benzeri diğer kırılgan malzemelerin test edilmesinde oldukça yararlı olabileceği sonucuna varılmıştır. Yeni numune geometrilerinin nümerik analizlerde modellenmesi ile, numune geometrisinin dinamik gerilim dengesi üzerindeki etkisi daha iyi anlaşılması sağlanmıştır.