In this paper, constraint-based fracture mechanics analyses of hollow cylinders with internal circumferential crack under tensile loading are conducted. Finite element analyses of the cracked cylinders are carried out to determine the fracture parameters including elastic T-stresses, and fully-plastic J-integrals. Linear elastic finite element analysis is conducted to obtain the T-stresses, and elastic-plastic analysis is conducted to obtain the fully plastic J-integrals. A wide range of cylinder geometries are studied, with cylinder radius ratios of $r_i/r_o$ = 0.2 to 0.8 and crack depth ratio a/t = 0.2 to 0.8. Fully plastic J-integrals are obtained for Ramberg-Osgood power law hardening material of n = 3, 5 and 10. These fracture parameters are then used to construct conventional and constraint-based failure assessment diagrams (FADs) to determine the maximum load carrying capacity of cracked cylinders. It is demonstrated that these tensile loaded cylinders with circumferential cracks are under low constraint conditions, and the load carrying capacity are higher when the low constraint effects are properly accounted for, using constraint-based FADs, comparing to the predictions from the conventional FADs.
This paper attempts to develop the analytical model of estimating the fatigue damage using a linear elastic fracture mechanics method. The stress history on a welding member, when a truck passed over a bridge, was defined as a block loading and the crack closure theory was used. These theories explain the influence of a load on a structure. This study undertook an analysis of the stress range frequency considering both dead load stress and crack opening stress. A probability method applied to stress range frequency distribution and the probability distribution parameters of it was obtained by Maximum likelihood Method and Determinant. Monte Carlo Simulation which generates a probability variants (stress range) output failure block loadings. The probability distribution of failure block loadings was acquired by Maximum likelihood Method and Determinant. This can calculate the fatigue reliability preventing the fatigue failure of a welding member. The failure block loading divided by the average daily truck traffic is a predictive remaining life by a day. Fatigue reliability analysis was carried out for the welding member of the bottom flange of a cross beam and the vertical stiffener of a steel box bridge by the proposed model. Results showed that the primary factor effecting failure time was crack opening stress. It was important to decide the crack opening stress for using the proposed model. Also according to the 50% reliability and 90%, 99.9% failure times were indicated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.6
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pp.987-996
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2003
The structural integrity of the reactor vessel with the approaching end of life must be assured for pressurized thermal shock. The regulation specifies the screening criteria for this and requires that specific analysis be performed for the reactor vessel which is anticipated to exceed the screening criteria at the end of plant life. In case the screening criteria is exceeded by the deterministic analysis, probabilistic analysis must be performed to show that failure probability Is within the limit. In this study, probabilistic fracture mechanics analysis of the reactor vessel for pressurized thermal shock is performed and the effects of residual stress and master curve on the failure probability are investigated.
Kim, Hyung-Mok;Park, Eui-Seob;Shen, Baotang;Synn, Joong-Ho;Kim, Taek-Kon;Lee, Seong-Cheol;Ko, Tae-Young;Lee, Hee-Suk;Lee, Jin-Moo
Tunnel and Underground Space
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v.21
no.1
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pp.66-81
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2011
In this study, it was aimed to develop a thermal-hydraulic-mechanical coupled fracture mechanics code that models a fracture initiation, propagation and failure of underground rock mass due to thermal and hydraulic loadings. The development was based on a 2D FRACOD (Shen & Stephasson, 1993), and newly developed T-M and H-M coupled analysis modules were implemented into it. T-M coupling in FRACOD employed a fictitious heat source and time-marching method, and explicit iteration method was used in H-M coupling. The validity of developed coupled modules was verified by the comparison with the analytical result, and its applicability to the fracture initiation and propagation behavior due to temperature changes and hydraulic fracturing was confirmed by test simulations.
A fracture energy concept proposed by Ouyang and Shah's fracture mechanics approach was used to predict cracking of reinforced concrete members subjected to tension. In this approach, fracture properties in plain concrete which incorporate the presence of the fracture process zone are first determined from the generalized size effect method, then fracture energy required for crack propagation with the same dimension and material properties are evaluated using an R-curve. Subsequently taking into account the material properties in Ouyang and Shah's approach, a theoretical analysis to predict the mechanical behavior of reinforced concrete members subjected to tension was performed and compared to observed experimental results. It is seen that the predicted average crack spacing curves agree well with the experimental results, whereas the analytical method seems to predict lower values for this study. The analytical approach predicts well responses of stress-strain curves before and after the first crack is formed. It is concluded from this study that a fracture energy concept based on the R-curve and the generalized size effect method is a rational approach to predict cracking of reinforced concrete members subjected to tension.
The purpose of this work is to predict ductile fracture of structural steel under extremely low cyclic loading experienced in earthquake. A cumulative damage model is proposed on the basis of an existing damage model originally aiming to predict fracture under monotonic loading. The cumulative damage model assumes that damage does not grow when stress triaxiality is below a threshold and fracture occurs when accumulated damage reach unit. The model was implemented in ABAQUS software. The cumulative damage model parameters for steel base metal, weld metal and heat affected zone were calibrated, respectively, through testing and finite element analyses of notched coupon specimens. The damage evolution law in the notched coupon specimens under different loads was compared. Finally, in order to examine the engineering applicability of the proposed model, the fracture performance of beam-column welded joints reported by previous researches was analyzed based on the cumulative damage model. The analysis results show that the cumulative damage model is able to successfully predict the cracking location, fracture process, the crack initiation life, and the total fatigue life of the joints.
Sejnoha, J.;Sejnoha, M.;Zeman, J.;Sykora, J.;Vorel, J.
Structural Engineering and Mechanics
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v.30
no.1
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pp.99-117
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2008
This paper presents a comprehensive approach to the evaluation of macroscopic material parameters for natural stone and quarry masonry. To that end, a reliable non-linear material model on a meso-scale is developed to cover the random arrangement of stone blocks and quasi-brittle behaviour of both basic components, as well as the impaired cohesion and tensile strength on the interface between the blocks and mortar joints. The paper thus interrelates the following three problems: (i) definition of a suitable periodic unit cell (PUC) representing a particular masonry structure; (ii) derivation of material parameters of individual constituents either experimentally or running a mixed numerical-experimental problem; (iii) assessment of the macroscopic material parameters including the tensile and compressive strengths and fracture energy.
A study concerning the strength of brittle materials is presented in this paper. The failure behavior was investigated examining the plane of the crack after the failure and comparing the results obtained with those deriving from the fracture mechanics theory. Although the proposed methods are valid in general for brittle materials, the experiment was performed on glass because the results are more significant for this. Glass elements of various sizes and different edge finishes were subjected to bending tests until collapsing. The bending results were studied in terms of failure load and energy dissipation, and the fracture surfaces were examined by means of microscopic analysis, in which the depth of the flaw and the mirror radius of the fracture were measured and the strength was calculated. These results agreed with those obtained from the fracture mechanics analysis.
This study presents a random-aggregate mesoscale model integrating the random distribution of the coarse aggerates and the damage mechanics of the mortar and interfacial transition zone (ITZ). This mesoscale model can generate the random distribution of the coarse aggregates according to the prescribed particle size distribution which enables the automation of the current methodology with different coarse aggregates' distribution. The main innovation of this work is to propose the "correction factor" to eliminate the dimensionally dependent mesh sensitivity of the concrete damaged plasticity (CDP) model. After implementing the correction factor through the user-defined subroutine in the randomly meshed mesoscale model, the predicted fracture resistance is in good agreement with the average experimental results of a series of geometrically similar single-edge-notched beams (SENB) concrete specimens. The simulated cracking pattern is also more realistic than the conventional concrete material models. The proposed random-aggregate mesoscale model hence demonstrates its validity in the application of concrete fracture failure and statistical size effect analysis.
The failure probabilities of the reactor pressure vessel (RPV) for low temperature over-pressurization (LTOP) and cool-down transients are calculated in this study. For the cool-down transient, a pressure-temperature limit curve is generated in accordance with Section XI, Appendix G of the American Society of Mechanical Engineers (ASME) code, from which safety margin factors are deliberately removed for the probabilistic fracture mechanics analysis. Then, sensitivity analyses are conducted to understand the effects of some input parameters. For the LTOP transient, the failure of the RPV mostly occurs during the period of the abrupt pressure rise. For the cool-down transient, the decrease of the fracture toughness with temperature and time plays a main role in RPV failure at the end of the cool-down process. As expected, the failure probability increases with increasing fluence, Cu and Ni contents, and initial reference temperature-nil ductility transition ($RT_{NDT}$). The effect of warm prestressing on the vessel failure probability for LTOP is not significant because most of the failures happen before the stress intensity factor reaches the peak value while its effect reduces the failure probability by more than one order of magnitude for the cool-down transient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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