Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2006.03a
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pp.79-93
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2006
It is well known that acoustic emission (AE) is indicator of rock fracturing or damage as rock is brought to failure under the uniaxial compressive loads. In this paper, an experimental study on the source location of acoustic emission on the cylindrical specimens of granite under uniaxial compression test was made. The AE source location was made by measuring the six channel AE data. Comparing to this experiment, the numerical method is applied to model the initiation and propagation of fracture by AE using a numerical code, RFPA (Realistic Failure Process Analysis). This code incorporates the mesoscopic heterogeneity in Young's modulus and rock strength characteristic of rock masses. In the numerical models, values of Young's modulus and rock strength are realized according to a Weibull distribution in which the distribution parameters represent the level of heterogeneity of the medium. The results of the simulations show that RFPA can be used not only to produce acoustic emission similar to those measurements in our experiments, but also to predict fracturing patterns under uniaxial loading condition.
Thermal shock resistance of $Al_2O_3$- and Fe-$Al_2TiO_5$-based Castable Refractories was studied using a central heating technique. Ring type specimens, 10mm thick and 20 and 100mm inner and outer diameters, respectively, were rapidly heated on the internal surface of the centre hole using a high power electrical heating element. The temperature field was measured experimentally and modelled using finite element analysis (FEA). The thermal stress field was also modelled using FEA. A radial notch was introduced to the ring specimens to enable calculation of the thermal stress intensity factors (SIF). A special LVDT device was incorporated in the thermal shock tester to monitor crack mouth opening displacement (COD). The thermal shock fracture initiation and crack propagation behaviour of the castable refractories were ascertained using the COD measurements and the fracture mechanics analysis data.
A two-dimensional BEM code, $FRACOD^{2D}$, was applied to simulate fracture initiation and propagation processes in a rock pillar during an in situ heater test of a rock pillar planned at the $\"{A}sp\"{o}$ Underground Rock laboratory of SKB, in Southern Sweden. To take the advantage of conventional BEM for simulating fracturing processes, but without efforts for domain integral transformation, a hybrid approach is developed to simulate the fracturing processes in rock pillar under coupled thermo-mechanical loading. The code FRACOD was used for simulating the fracture initiation and propagation processes with its boundary tractions reflecting the effects of the initial and redistributed thermomechanical stresses in the domain of interest at multiple excavation and heating steps were produced by a special algorithm of stress inversion, based on resultant thermo-mechanical stress fields at each excavation and heat loading step by a FEM code without considering fracturing processes. This hybrid approach can take the advantages of both types of numerical methods and avoids their shortcomings for fracturing process simulation and domain effects, respectively. In this paper, we present the hybrid approach for the stress, displacements, and fracturing processes at sequential excavation and heating steps of the in situ heater test as a predictive modelling, the formulation of the fracturing models and the predictive results. Two sections of borehole depth, 0.5 m and 1.5 m below the tunnel floor are considered. The pillar area is modelled with the FRACOD and the stress field produced by excavation and heating is transferred with corresponding boundary stresses. From the modelling results, the degree of fracturing and damage are evaluated for 120 days of heating. Dominated shear fracturing in the vicinity of the central pillar was observed from the models at both sections, but spalled area appears to be limited. Based on the modelling results, a sensitivity study for the effect of pre-existing fractures in the vicinity of the holes is also conducted, and the initiation and evolution of EDZ around the deposition holes are investigated using this particular numerical technique.
This paper investigates the mechanisms of tunnel spalling and massive tunnel failures using fracture mechanics principles. The study starts with examining the fracture propagation due to tensile and shear failure mechanisms. It was found that, fundamentally, in rock masses with high compressive stresses, tensile fracture propagation is often a stable process which leads to a gradual failure. Shear fracture propagation tends to be an unstable process. Several real case observations of spalling failures and massive shear failures in boreholes, tunnels and underground roadways are shown in the paper. A number of numerical models were used to investigate the fracture mechanisms and extents in the roof/wall of a deep tunnel and in an underground coal mine roadway. The modelling was done using a unique fracture mechanics code FRACOD which simulates explicitly the fracture initiation and propagation process. The study has demonstrated that both tensile and shear fracturing may occur in the vicinity of an underground opening. Shallow spalling in the tunnel wall is believed to be caused by tensile fracturing from extensional strain although no tensile stress exists there. Massive large scale failure however is most likely to be caused by shear fracturing under high compressive stresses. The observation that tunnel spalling often starts when the hoop stress reaches $0.4^*UCS$ has been explained in this paper by using the extension strain criterion. At this uniaxial compressive stress level, the lateral extensional strain is equivalent to the critical strain under uniaxial tension. Scale effect on UCS commonly believed by many is unlikely the dominant factor in this phenomenon.
In this paper, cracks with different angles are prefabricated in rock specimens to study the fracture characteristics of rock based on CT images. The rock specimens are prepared for compression tests according to the standard recommended by ISRM (International Society for Rock Mechanics). The effects of different angles on rock mechanical properties and crack propagation fracture modes are analyzed. Then, based on the cohesive element method and CT images, the relationship between porosity and Young's modulus as well as the fracture property is explored by the numerical modelling. In the modelling, the distribution of Young's modulus is determined by the CT image through the field variable method. The results show that prefabricated cracks reduce the mechanical properties of rock. The closer the angles of the prefabricated crack is, the greater the Young's modulus of the rock sample is. The failure process of each specimen with prefabricated cracks is formed by the initiation and propagation of crack, and the angle of the prefabricated crack will affect the type of extended crack. As part of the numerical model proposed in this paper, the microstructure of rocks is reflected by CT images. The numerical results verify the effectiveness of the cohesive element method in the study of crack propagation for rock. The rock model in this paper can be used to predict engineering disasters such as collapse and landslide caused by rock fracture, which means that the methodology adopted in this paper is comprehensive and important to solve rock engineering problems.
Water inrush is a major hazard for mining and excavation in deep coal seams or rock masses. It can be attributed to the coalescence of rock fractures in rock mass due to the interaction of fractures, hydraulic flow and stress field. One of the key technical challenges is to understand the course and mechanism of fluid flows in rock joint networks and fracture propagation and hence to take measures to prevent the formation of water inrush channels caused by possible rock fracturing. Several case observations of fluid flowing in rock joint networks and coupled fracture propagation in underground coal roadways are shown in this paper. A number of numerical simulations were done using the recently developed flow coupling function in FRACOD which simulates explicitly the fracture initiation and propagation process. The study has demonstrated that the shortest path between the inlet and outlet in joint networks will become a larger fluid flow channel and those fractures nearest to the water source and the working faces become the main channel of water inrush. The fractures deeper into the rib are mostly caused by shearing, and slipping fractures coalesce with the joint, which connects the water source and eventually forming a water inrush channel.
Mohabeddine, Anis I.;Eshaghi, Cyrus;Correia, Jose A.F.O.;Castro, Jose M.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.447-456
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2022
Recent experimental studies showed that deep steel I-shaped profiles classified as high ductility class sections in seismic design international codes exhibit low deformation capacity when subjected to cyclic loading. This paper presents an innovative retrofit solution to increase the rotation capacity of beams using bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) patches validated with advanced finite element analysis. This investigation focuses on the flexural cyclic behaviour of I-shaped hot rolled steel deep section used as beams in moment-resisting frames (MRF) retrofitted with CFRP patches on the web. The main goal of this CFRP reinforcement is to increase the rotation capacity of the member without increasing the overstrength in order to avoid compromising the strong column-weak beam condition in MRF. A finite element model that simulates the cyclic plasticity behavior of the steel and the damage in the adhesive layer is developed. The damage is modelled using the cohesive zone modelling (CZM) technique that is able to capture the crack initiation and propagation. Details on the modelling techniques including the mesh sensitivity near the fracture zone are presented. The effectiveness of the retrofit solution depends strongly on the selection of the appropriate adhesive. Different adhesive types are investigated where the CZM parameters are calibrated from high fidelity fracture mechanics tests that are thoroughly validated in the literature. This includes a rigid adhesive commonly found in the construction industry and two tough adhesives used in the automotive industry. The results revealed that the CFRP patch can increase the rotation capacity of a steel member considerably when using tough adhesives.
Heidary, Hossein;Mehrpouya, Mohammad A.;Saghafi, Hamed;Minak, Giangiacomo
Structural Engineering and Mechanics
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v.73
no.6
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pp.631-640
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2020
Using backup plate is one of the most commonly used methods to decrease drilling-induced delamination of composite laminates. It has been shown that, the size of the delamination zone is related to the vertical element of cutting force named as thrust force. Also, direct control of thrust force is not a routine task, because, it depends on both drilling parameters and mechanical properties of the composite laminate. In this research, critical feed rate and thrust force are predicted analytically for delamination initiation in drilling of composite laminates with backup plate. Three common theories, linear elastic fracture mechanics, classical laminated plate and mechanics of oblique cutting, are used to model the problem. Based on the proposed analytical model, the effect of drill radius, chisel edge size, and backup plate size on the critical thrust force and feed rate are investigated. Experimental tests were carried out to prove analytical model.
This paper studies fracture initiation direction of two parallel non-coplanar cracks of equal length. Using the dislocation pile-up modelling, singular integral equations for two parallel cracks subjected to mixed-mode loading are derived and the crack-tip field including singular and non-singular terms is obtained. The kinking angle is determined by using the maximum hoop stress criterion, or the ${\sigma}_{\theta}$-criterion. Results are presented for simple uniaxial tension and biaxial loading. The biaxiality ratio has a noticeable influence on crack growth direction. For the case of biaxial tension, when neglecting the T-stress the crack branching angle is overestimated for small crack inclination angles relative to the largest applied principal stress direction, and underestimated for large crack inclination angles.
St. Doltsinis, Ioannis;Haller, Kai-Uwe;Handel, Rainer
Structural Engineering and Mechanics
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v.4
no.6
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pp.679-702
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1996
The finite element method is employed in conjunction with micromechanical modelling in order to assess the performance of ceramic thermal barrier coatings applied to structural components. The study comprises the conditions of the deposition of the coating by plasma spraying as well as the thermal cycling of the coated component, and it addresses particularly turbine blades. They are exposed to high temperature changes strongly influencing the behaviour of the core material and inducing damage in the ceramic material by intense straining. A concept of failure analysis is discussed starting from distributed microcracking in the ceramic material, progressing to the formation of macroscopic crack patterns and examining their potential for propagation across the coating. The theory is in good agreement with experimental observations, and may therefore be utilized in proposing improvements for a delayed initiation of failure, thus increasing the lifetime of components with ceramic thermal barrier coatings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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