Sarfarazi, Vahab;Haeri, Hadi;Shemirani, Alireza Bagher;Zhu, Zheming;Marji, Mohammad Fatehi
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.5
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pp.569-582
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2018
Effects of crack separation, bridge area, on the tensile behaviour of concrete are studied experimentally and numerically through the Brazilian tensile test. The physical data obtained from the Brazilian tests are used to calibrate the two-dimensional particle flow code based on discrete element method (DEM). Then some specially designed Brazilian disc specimens containing two parallel cracks are used to perform the physical tests in the laboratory and numerically simulated to make the suitable numerical models to be tested. The experimental and numerical results of the Brazilian disc specimens are compared to conclude the validity and applicability of these models used in this research. Validation of the simulated models can be easily checked with the results of Brazilian tests performed on non-persistent cracked physical models. The Brazilian discs used in this work have a diameter of 54 mm and contain two parallel centred cracks ($90^{\circ}$ to the horizontal) loaded indirectly under the compressive line loading. The lengths of cracks are considered as; 10 mm, 20 mm, 30 mm and 40 mm, respectively. The visually observed failure process gained through numerical Brazilian tests are found to be very similar to those obtained through the experimental tests. The fracture patterns demonstrated by DEM simulations are mostly affected by the crack separation but the tensile strength of bridge area is related to the fracture pattern and failure mechanism of the testing samples. It has also been shown that when the crack lengths are less than 30 mm, the tensile cracks may initiate from the cracks tips and propagate parallel to loading direction till coalesce with the other cracks tips while when the cracks lengths are more than 30 mm, these tensile cracks may propagate through the intact concrete itself rather than that of the bridge area.
The Brazilian test has been widely used to determine the indirect tensile strength of rock, concrete and other brittle materials. The basic assumption for the calculation formula of Brazilian tensile strength is that the elastic moduli of rock are the same both in tension and compression. However, the fact is that the elastic moduli in tension and compression of most rocks are different. Thus, the formula of Brazilian tensile strength under the assumption of isotropy is unreasonable. In the present study, we conducted Brazilian tests on flat disk-shaped rock specimens and attached strain gauges at the center of the disc to measure the strains of rock. A tension-compression bi-modular model is proposed to interpret the data of the Brazilian test. The relations between the principal strains, principal stresses and the ratio of the compressive modulus to tensile modulus at the disc center are established. Thus, the tensile and compressive moduli as well as the correct tensile strength can be estimated simultaneously by the new formulas. It is found that the tensile and compressive moduli obtained using these formulas were in well agreement with the values obtained from the direct tension and compression tests. The formulas deduced from the Brazilian test based on the assumption of isotropy overestimated the tensile strength and tensile modulus and underestimated the compressive modulus. This work provides a new methodology to estimate tensile strength and moduli of rock simultaneously considering tension-compression bi-modularity.
A simultaneous analytical, experimental and numerical analysis of crack initiation, propagation and breaking process of the Central Straight through Crack Brazilian Disk (CSCBD) specimens under diametrical compression is carried out. Brazilian disc tests are being accomplished to evaluate the fracturing process based on stress intensity factors (SIFs). The effects of crack inclination angle and crack length on the fracturing processes have been investigated. The same experimental specimens have been numerically modeled by a higher order indirect boundary element method (HDDM). These numerical results are compared with the existing experimental results proving the accuracy and validity of the proposed numerical method.
Shemirani, Alireza Bagher;Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Akbarpour, Abbas;Babanouri, Nima
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.3
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pp.379-386
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2018
The present study addresses the direct and indirect methods of determining the mode-I fracture toughness of concrete using experimental tests and particle flow code. The direct method used is compaction tensile test and the indirect methods are notched Brazilian disc test, semi-circular bend specimen test, and hollow center cracked disc. The experiments were carried out to determine which indirect method yields the fracture toughness closer to the one obtained by the direct method. In the numerical analysis, the PFC model was first calibrated with respect to the data obtained from the Brazilian laboratory test. The crack paths observed in the simulated tests were in reasonable accordance with experimental results. The discrete element simulations demonstrated that the macro fractures in the models are caused by microscopic tensile breakages on large numbers of bonded particles. The mode-I fracture toughness in the direct tensile test was smaller than the indirect testing results. The fracture toughness obtained from the SCB test was closer to the direct test results. Hence, the semi-circular bend test is recommended as a proper experiment for determination of mode-I fracture toughness of concrete in the absence of direct tests.
Disc-type and ring-type specimens of four different materials were tested to investigate the tensile characteristics and their brief results are presented. Materials tested were marble, granite, cement mortar and plaster. Unizxial tensile strengths are compared with Brazilian and ring test strengths. It was found that Brazilian strengths were usually greater than uniaxial tensile strengths and affected by loading rates. In the ring tests, tensile strengths were generally found to be decreased as relative hole radius being increased. Ring test strengths, however, converged to some value in r$\geq$0.45 of marble, r$\geqq$0.29 of cement mortar and r$\leq$0.5 of plaster specimens. In such range of r, furthermore, transverse cracking of specimens were observed.
Long-term stability and delayed failure of granite were evaluated through the laboratory test based on Wilkins method and Brazilian disc test (BDT) which yields tensile strength, mode I fracture toughness and subcritical crack growth parameters. Then, the long-term strength of granite was estimated by using analytical models and long-term stability of compressed air-energy storage (CAES) pilot cavern pressurized up to 5 ~ 6 MPa was evaluated using numerical code, FRACOD with the determined subcritical crack growth parameters. The results of test and analyses showed that the subcritical crack growth index, n was determined as 29.39 and the inner pressure of 5 ~ 6 MPa had an insignificant effect on the long-term stability of pilot cavern. It was also found that the measurement and analysis of acoustic emission events can describe the accumulation of damage due to subcritical crack growth quantitatively. That is, AE monitoring can provide the current status of rock under loading if we make an identical installation condition in the field with that of the laboratory test.
The purpose of this study is to investigate the influence of cleavages on indirect tensile strength (ITS) of the granite. Brazilian disc tests and ring tests with three different hole sizes were performed. 2D DEM (Discrete Element Method) simulation was employed to further understand the failure process during the tests and the mechanism behind. Results show that ITS decreases across hardway, grain and rift cleavage. Measured average ITS from ring tests is about 2.5 ~ 6.4 times of those measured from Brazilian disc tests, and it decreases with increasing ratio of diameters of inner hole and specimen. Failure pattern in ring tests is influenced by both hole size and relative positions of cleavages parallel and perpendicular to the loading direction.
The failure behavior and tensile strength of sandstone materials under different strain rates are greatly different, especially under static loads and impact loads. In order to clearly investigate the failure mechanism of sandstone materials under static and impact loads, a series of Brazilian disc samples were used by employing green sandstone, red sandstone and black sandstone to carry out static and impact loading splitting tensile tests, and the failure properties subjected to two different loading conditions were analyzed and discussed. Subsequently, the failure behavior of sandstone materials also were simulated by finite element code. The good agreement between simulation results and experimental results can obtain the following significantly conclusions: (1) The relationship of the tensile strength among sandstone materials is that green sandstone < red sandstone < black sandstone, and the variation of the tensile sensitivity of sandstone materials is that green sandstone > red sandstone > black sandstone; (2) The mainly cause for the difference of dynamic tensile strength of sandstone materials is that the strength of crystal particles in sandstone material, and the tensile strength of sandstone is proportional to the fractal dimension; (3) The dynamic failure behavior of sandstone is greatly different from that of static failure behavior, and the dynamic tensile failure rate in dynamic failure behavior is about 54.92%.
Ibrahim Albaijan;Hanan Samadi;Arsalan Mahmoodzadeh;Hawkar Hashim Ibrahim;Nejib Ghazouani
Computers and Concrete
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v.34
no.2
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pp.247-265
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2024
Measuring the fracture toughness of concrete in laboratory settings is challenging due to various factors, such as complex sample preparation procedures, the requirement for precise instruments, potential sample failure, and the brittleness of the samples. Therefore, there is an urgent need to develop innovative and more effective tools to overcome these limitations. Supervised learning methods offer promising solutions. This study introduces seven machine learning algorithms for predicting concrete's effective fracture toughness (K-eff). The models were trained using 560 datasets obtained from the central straight notched Brazilian disc (CSNBD) test. The concrete samples used in the experiments contained micro silica and powdered stone, which are commonly used additives in the construction industry. The study considered six input parameters that affect concrete's K-eff, including concrete type, sample diameter, sample thickness, crack length, force, and angle of initial crack. All the algorithms demonstrated high accuracy on both the training and testing datasets, with R2 values ranging from 0.9456 to 0.9999 and root mean squared error (RMSE) values ranging from 0.000004 to 0.009287. After evaluating their performance, the gated recurrent unit (GRU) algorithm showed the highest predictive accuracy. The ranking of the applied models, from highest to lowest performance in predicting the K-eff of concrete, was as follows: GRU, LSTM, RNN, SFL, ELM, LSSVM, and GEP. In conclusion, it is recommended to use supervised learning models, specifically GRU, for precise estimation of concrete's K-eff. This approach allows engineers to save significant time and costs associated with the CSNBD test. This research contributes to the field by introducing a reliable tool for accurately predicting the K-eff of concrete, enabling efficient decision-making in various engineering applications.
In this paper, mode I fracture toughness of rock was determined by direct and indirect methods using Particle Flow Code simulation. Direct methods are compaction tension (CT) test and hollow centre cracked quadratic sample (HCCQS). Indirect methods are notched Brazilian disk (NBD) specimen, the semi-circular bend (SCB) specimen, hollow centre cracked disc (HCCD), the single edge-notched round bar in bending (SENRBB) specimen and edge notched disk (END). It was determined that which one of indirect fracture toughness values is close to direct one. For this purpose, initially calibration of PFC was undertaken with respect to data obtained from Brazilian laboratory tests to ensure the conformity of the simulated numerical models response. Furthermore, the simulated models in five introduced indirect tests were cross checked with the results from direct tests. By using numerical testing, the failure process was visually observed. Discrete element simulations demonstrated that the macro fractures in models are caused by microscopic tensile breakages on large numbers of bonded discs. Mode I fracture toughness of rock in direct test was less than other tests results. Fracture toughness resulted from semi-circular bend specimen test was close to direct test results. Therefore semi-circular bend specimen can be a proper test for determination of Mode I fracture toughness of rock in absence of direct test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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