This study deals with residual stress prediction and hardness evaluation within cross ball grooved inner race fabricated by cold upsetting process consisted of upsetting and ejection steps. A raw workpiece material of AISI 5120H (SCr420H) is first spheroidized and annealed, then phosphophyllite coated to form solid lubricant layer on its outer surface. To investigate influences of the heat treatment, uni-axial compression tests and Vickers micro-hardness measurements are conducted. Three-dimensional elasto-plastic FE simulations on the upsetting step and the ejection one are performed to visualize the residual stress and the ductile (plastic deformation) damage. External feature of the fabricated inner race is fully captured by using an optical 3D scanner, and the micro-hardness is measured on internal cross-sections. Consequently, the dimensional compatibility between the simulated inner race and the fabricated one is ensured with a difference of under 0.243mm that satisfied permissible error range of ±0.50mm on the grooved surface, and the predicted residual stress is verified to have similar distribution tendency with the measured Vickers micro-hardness.
To date, shell-solid and fibre element model analysis are the most commonly used methods to investigate the seismic performance of concrete-filled steel tube (CFST) bridge piers. However, most existing research does not consider the loss of bearing capacity caused by the fracture of the outer steel tube. To fill this knowledge gap, a refined finite element (FE) model considering the ductile damage of steel tubes and the behaviour of infilled concrete with cracks is established and verified against experimental results of unidirectional, bidirectional cyclic loading tests and pseudo-dynamic loading tests. In addition, a parametric study is conducted to investigate the seismic performance of CFST bridge piers with different concrete strength, steel strength, axial compression ratio, slenderness ratio and infilled concrete height using the proposed model. The validation shows that the proposed refined FE model can effectively simulate the residual displacement of CFST bridge piers subjected to highintensity earthquakes. The parametric analysis indicates that CFST piers hold sufficient strength reserves and sound deformation capacity and, thus, possess excellent application prospects for bridge construction in high-intensity areas.
Fragility and loss functions are developed to predict damage and economic losses due to earthquake loading in Reinforced Concrete (RC) structural components with smooth rebars. The attention is focused on external/internal beam-column joints and ductile/brittle weak columns, designed for gravity loads only, using low-strength concrete and plain steel reinforcing bars. First, a number of damage states are proposed and linked deterministically with commonly employed methods of repair and related activities. Results from previous experimental studies are used to develop empirical relationships between damage states and engineering demand parameters, such as interstory and column drift ratios. Probability distributions are fit to the empirical data and the associated statistical parameters are evaluated using statistical methods. Repair costs for damaged RC components are then estimated based on detailed quantity survey of a number of pre-70 RC buildings, using Italian costing manuals. Finally, loss functions are derived to predict the level of monetary losses to individual RC components as a function of the experienced response demand.
This paper presents a framework for analytical seismic vulnerability assessment of substandard reinforced concrete (RC) structures in developing countries. Amodified capacity-demand diagram method is used to predict the response of RC structures with degrading behaviour. A damage index based on period change is used to quantify the evolution of damage. To demonstrate the framework, a class of substandard RC buildings is examined. Abrupt accumulation of damage is observed due to the brittle failure modes and this is reflected in the developed vulnerability curves, which differ substantially from the curves of ductile structures.
Micromechanical facture models can be used to predict ductile fracture in steel structures. In order to calibrate the parameters in the micromechanical models for the largely used Q345 steel in China, uniaxial tensile tests, smooth notched tensile tests, cyclic notched bar tests, scanning electron microscope tests and finite element analyses were conducted in this paper. The test specimens were made from base metal, deposit metal and heat affected zone of Q345 steel to investigate crack initiation in welded steel connections. The calibrated parameters for the three different locations of Q345 steel were compared with that of the other seven varieties of structural steels. It indicates that the toughness index parameters in the stress modified critical strain (SMCS) model and the void growth model (VGM) are connected with ductility of the material but have no correlation with the yield strength, ultimate strength or the ratio of ultimate strength to yield strength. While the damage degraded parameters in the degraded significant plastic strain (DSPS) model and the cyclic void growth model (CVGM) and the characteristic length parameter are irrelevant with any properties of the material. The results of this paper can be applied to predict ductile fracture in welded steel connections.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.5
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pp.281-289
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2018
Existing reinforced concrete building structures have seismic vulnerabilities due to their seismically-deficient details resulting in non-ductile behavior. The seismic vulnerabilities can be mitigated by retrofitting the buildings using a fiber-reinforced polymer column jacketing system, which can provide additional confining pressures to existing columns to improve their lateral resisting capacities. This study presents dynamic responses of a full-scale non-ductile reinforced concrete frame retrofitted using a fiber-reinforced polymer column jacketing system. A series of forced-vibration testing was performed to measure the dynamic responses (e.g. natural frequencies, story drifts and column/beam rotations). Additionally, the dynamic responses of the retrofitted frame were compared to those of the non-retrofitted frame to investigate effectiveness of the retrofit system. The experimental results demonstrate that the retrofit system installed on the first story columns contributed to reducing story drifts and column rotations. Additionally, the retrofit scheme helped mitigate damage concentration on the first story columns as compared to the non-retrofitted frame.
Silicon nitride is one of the most successful engineering ceramics, owing to a favorable combination of properties, including high strength, high hardness, low thermal expansion coefficient, and high fracture toughness. However, the impact damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics has not been widely characterized. In this study, sphere and explosive indentations were used to characterize the static and dynamic damage behavior of $Si_3N_4$ ceramics with different microstructures. Three grades of $Si_3N_4$ with different grain size and shape, fine-equiaxed, medium, and coarse-elongated, were prepared. In order to observe the subsurface damaged zone, a bonded-interface technique was adopted. Subsurface damage evolution of the specimens was then characterized extensively using optical and electron microscopy. It was found that the damage response depends strongly on the microstructure of the ceramics, particularly on the glassy grain boundary phase. In the case of static indentation, examination of subsurface damage revealed competition between brittle and ductile damage modes. In contrast to static indentation results, dynamic indentation induces a massive subsurface yield zone that contains severe micro-failures. In this study, it is suggested that the weak glassy grain boundary phase plays an important role in the resistance to dynamic fracture.
The Kachanov and Rabotnov (K-R) creep damage model was interpreted and applied to type 316LN and HT-9 stainless steels. Seven creep constants of the model, A, B, $textsc{k}$, m, λ, ${\gamma}$, and q were determine d for type 316LN stainless steel. In order to quantify a damage parameter, the cavity was interruptedly traced during creep for measuring cavity area to be reflected into the damage equation. For type 316LN stainless steel, λ= $\varepsilon$R/$\varepsilon$* and λf=$\varepsilon$/$\varepsilon$R were 3.1 and increased with creep strain. The creep curve with λ=3.1 depleted well the experimental data to the full lifetime and its damage curve showed a good agreement when r=24. However for the HT-9 stainless steel, the values of λ and λf were different as λ=6.2 and λf=8.5, and their K-R creep curves did not agree with the experimental data. This mismatch in the HT-9 steel was due to the ductile fracture by softening of materials rather than the brittle fracture by cavity growth. The differences of the values in the above steels were attributed to creep ductilities at the secondary and the tertiary creep stages.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.25
no.5
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pp.201-211
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2021
The Ministry of the Interior and Safety in Korea developed seismic fragility function for various building types in 2009. Damage states for most building types were determined by structural analyses of sample models and foreign references because actual cases damaged by earthquakes rarely exist in Korea. Low-rise, piloti-type buildings showed severe damage by brittle failure in columns due to insufficient stirrup details in the 2017 Pohang earthquake. Therefore, it is necessary to improve damage state criteria for piloti-type buildings by consulting actual outcomes from the earthquake. An analytical approach was conducted by developing analysis models of sample buildings reflecting insufficient stirrup details of columns to accomplish the purpose. The result showed that current spectral displacements of damage states for piloti-type buildings might be too large to estimate actual fragility. When the brittle behavior observed in the earthquake is reflected in the analysis model, one-fourth through one-sixth of current spectral displacements of damage states may be appropriate for existing low-rise, piloti-type buildings.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.6
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pp.914-922
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2003
In this paper, the strain localization of voided ductile material has been analyzed by nonlocal plasticity formulation in which the yield strength not only depends on an equivalent plastic strain measure (hardening parameter), but also on the Laplacian thereof. The gradient terms in yield criterion show an important role on modeling strain-softening phenomena of material. The influence of the mesh size on the elastic -plastic deformation behavior and the effect of the characteristic length parameter for localization prediction are also investigated. The proposed nonlocal plasticity shows that the load -strain curves converge to one curve. Results using nonlocal plasticity also exhibit the dependence of mesh size is much less sensitivity than that for a corresponding local plasticity formulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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