Although various methods for determination of damage threshold in rock have been suggested, clear damage thresholds were determined by some methods, but different thresholds were measured by other methods. We determined the damage thresholds in Hangdeung granite using all the methods suggested, and investigated the best methods, applicability and errors of each method. The crack initiation threshold and the crack damage threshold which are important in investigation of characteristics of crack development and failure were verified by field strength ratio method and long-term constant load test. The crack closure stress and the crack initiation stress were 57.5 MPa and 77.6 MPa, and the most exact values were yielded by crack volumetric strain. The secondary crack initiation stress was 90.6 MPa and AE event count and AE event count rate were the effective methods. The volumetric stiffness, AE event count and AE event count rate were the most effective methods for determination of crack coalescence threshold and crack coalescence stress was 110.3 MPa. The crack damage stress was 127.5 MPa and was measured correctly by volumetric stiffness and AE event count rate. The ratio between crack initiation stress and uniaxial compressive strength was 0.47 which was very similar with the FSR value of 0.46. The ratio between crack damage stress and uniaxial compressive strength was almost the same as the ratio between long-term strength and uniaxial compressive strength, indicating that the crack initiation stress and the crack damage stress measured were correct.
Kim, Kyung-Min;Oh, Sang-Hoon;Choi, Kwang-Yong;Lee, Jung-Han;Park, Byung-Cheol
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.6
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pp.11-20
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2013
In this paper, the quantitative damage index for reinforced concrete (RC) columns with non-seismic details were presented. They are necessary to carry out the postearthquake safety evaluation of RC buildings under 5 stories without seismic details. The static cyclic test of the RC frame sub-assemblage that was an one span and actual-sized was first conducted. The specimen collapsed by the shear failure after flexural yielding of a column, lots of cracks on the surfaces of columns and beam-column joints and the cover concrete splitting at the bottom of columns occurred. The damage levels of these kinds of columns with non-seismic details were classified to five based on the load-displacement relationship by the test result. The residual story drift ratios and crack widths were then adapted as the quantitative index to evaluate the damage limit states because those values were comparatively easy to measure right after earthquakes. The highest one among the residual story drift ratios under the similar maximum story drift ratio decided on the residual story drift ratio of each damage limit state. On the other hand, the lowest and average ones among the respective residual shear and flexural widths under the similar maximum story drift ratio decided on the residual shear and flexural widths of each damage limit state, respectively. These values for each damage limit state resulted in being smaller than those by the international damage evaluation guidelines that are for seismically designed members under the same deformations.
The inherent characteristic of concrete tensile cracks, directional nonlocal crack damage, causes so-called rotating tensile crack damage and softening of compressive strength. In the present study, a plasticity model was developed to describe the behavior of reinforced concrete planar members In tension-compression. To describe the effect of directional nonlocal crack damage, the concept of microplane model was combined with the plasticity model. Unlike existing models, in the proposed model, softening of compressive strength as well as the tensile crack damage were defined by the directional nonlocal crack damage. Once a tensile cracking occurs, the microplanes of concrete are affected by the nonlocal crack damage. In the microplanes, microscopic tension and compression failure surfaces are calculated. By integrating the microscopic failure surfaces, the macroscopic failure surface is calculated. The proposed model was implemented to finite element analysis, and it was verified by comparisons with the results of existing shear panel tests.
The objective of this study is to evaluate the stress thresholds in crack development and the corrected fracture toughness of KURT granite under dry and saturated conditions. The stress thresholds were identified by calculation of inelastic volumetric strain from an uniaxial compression test. The corrected fracture toughness was estimated by using the Level II method (Chevron Bend specimen), suggested by ISRM (1988), in which non-linear behaviors of rock was taken into account. Average crack initiation stress(σci) and crack damage stress(σcd) under a dry condition were 91.1 MPa and 128.7 MPa. While, average crack initiation stress(σci) and crack damage stress(σcd) under a saturated condition were 58.2 MPa and 68.2 MPa. The crack initiation stress and crack damage stress of saturated ones decreased 36% and 47% respectively compared to those of dry specimens. A decrease in crack damage stress is relatively larger than that of crack initiation stress under a saturated condition. This indicates that the unstable crack growth can be more easily generated because of the saturation effect of water compared to the dry condition. The average corrected fracture toughness of KURT granite was 0.811 MPa·m0.5. While, the fracture toughness of saturated KURT granite(KCB) was 0.620 MPa·m0.5. The corrected fracture toughness of rock in saturated condition decreases by 23.5% compared to that in dry condition. It is found that the resistance to crack propagation decreases under the saturated geological condition.
In highly stressed conditions, the excavation damage zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the investigation of stress-induced deformation and fracture in rock is indispensable. In this study, fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by the moving point regression technique as well as acoustic emission measured during uniaxial compression tests. Especially, the modified procedures to determine damage thresholds more systematically were newly proposed, and successfully applied to rock. From experiments, crack initiation and track damage stress levels were estimated to be $33{\~}36\%$ and $84{\~}89\%$ of uniaxial compressive strength respectively, for both of Hwangdeung granite and Yeosan marble. However, the normalized crack closure stress level for Yeosan marble was much higher than for Hwangdeung granite. In addition, the largest proportion of total axial strain in Hwangdeung granite was attributable to elastic deformation and initial microcracking. However, the greatest part of axial deformation in Yeosan marble arose from initial crack closure and unstable cracking. Finally, it was seen that unstable cracking after the crack damage stress level played a key part in the lateral deformation in rocks under uniaxial compression.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.6C
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pp.305-314
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2012
This paper presents the quantitative damage assessment of granite taken from KAERI Underground Research Tunnel using acoustic emission (AE). The results determined showed the crack initiation and crack damage stress occurred at 48%, 72% of uniaxial compressive strength (UCS) and until the applied stress level was reached the crack damage stress, the damage degree was 0.06. When the applied stress exceeded 80%, 90% of UCS, the damage degree were 0.34, 0.06 and which were similar to those obtained from axial deformation modulus. The simply regression analysis was used to interpret the relationship of the two damage assessment techniques and the two were highly correlated ($R^2$=0.90). Therefore, damage degree based on the AE energy and mohr-coulomb failure criterion were adopted to predict the mechanical properties. As results, the axial deformation modulus, rock strength, internal friction angle, and cohesion of KURT rock were reduced 6%, 12%, 7%, and 3% until the applied stress was 70% of UCS. But when the applied stress reached 90% of UCS, the results were more reduced 69%, 72%, 62%, and 24%, respectively.
The number of old concrete structure which needs to be strengthened has been increased. The repair and strengthening methods have to be determined based on the current status of the structure. Consequently the estimation method for the damage status of the structure has been desperately needed, but no studies have been tried to use the crack and deflection characteristics to estimate the damage status. In this study, the crack characteristics depending on load level were measured and analysed. The crack characteristics observed from 11 samples were compared with damage status, and load level, The crack characteristics examined in this study include crack number, crack length, crack range, crack interval, maximum crack length, crack area, and average crack length. The deflections were normalized based on yield deflection, and the relationship between the relative deflection and the standardized crack characteristics were compared. Among the crack characteristics, crack interval, crack area, crack range, and maximum crack length, have been showed a close relationship to the relative deflection. Therefore, if such crack characteristics are evaluated, the maximum load applied to the structure is believed to be estimated. if additional parameters such as size of specimen, strength of concrete and steel, and steel ratio are studied, the damage status of structure can be estimated more accurately.
Damage in brittle rock due to stress increase starts from initiation of microcracks, and then results in failure by forming macro failure planes due to propagation and coalescence of these discrete cracks. Conventionally, continuum approaches using macro-failure criteria or a number of elasto-plastic models have been major solution to implement rock damage and failure. However, actual brittle failure processes can be better described in phenomenological approach if initiation and propagation of discrete fractures are explicitly considered. This study presents damage and failure process of rock using a boundary element code, FRACOD, which has been developed to model fracturing process of rocks. Through a series of numerical uniaxial compressive tests, the feasibility of the developed model was verified, and realistic rock failure process was reproduced considering scale effects in rocks. In addition, the fracturing process and the corresponding rock damage in the vicinity of deep shaft in rock mass were presented as an application of this approach. This approach will be expected to contribute to finding better engineering solutions for the analysis of stability problems in brittle rock masses.
The first step in improving our understanding of uncertainties suclt as rock mass strength parameters and deformation modulus in rock masses around high-level radioactive waste disposal repositories, for improved safety, is to study the process of crack development in intact rock. Therefore, in this study, the fracture process and crack development were examined in samples of KURT granite taken from the KAERI Underground Research Tunnel (KURT), based on acoustic emission (AE) and moment tensor analysis. The results show that crack initiation, coalescence, and unstable crack occurred at rock uniaxial compressive strengths of 0.45, 0.73, and 0.84, respectively. In addition, moment tensor analysis indicated that during the early stage of loading, tensile cracks were predominant. With increasing applied stress, the number of shear cracks gradually increased. When the applied stress exceeded the stress level required for crack damage, unstable shear cracks which directly result in failure of the rock were generated along the failure plane.
A constitutive model unifying plasticity and crack damage mode)s was developed to address the cyclic behavior of reinforced concrete planar members. The stress of concrete in tension-compression was conceptually defined by the sum of the compressive stress developed by the strut-action of concrete and the tensile stresses developed by tensile cracking. The plasticity model with multiple failure criteria was used to describe the isotropic damage of compressive crushing affected by the anisotropic damage of tensile cracking. The concepts of the multiple fixed crack damage model and the plastic flow model of tensile cracking were used to describe the tensile stress-strain relationship of multi-directional cracks. This unified model can describe the behavioral characteristics of reinforced concrete in cyclic tension-compression conditions, i.e. multiple tensile crack orientations, progressively rotating crack damage, and compressive crushing of concrete. The proposed constitutive model was implemented to finite element analysis, and it was verified by comparison with existing experimental results from reinforced concrete shear panels and walls under cyclic load conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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