This study focused on the resilient modulus prediction model, which is the functions of mean effective principal stress and axial strain, for three types of railroad trackbed materials such as crushed stone, weathered soil, and crushed-rock soil mixture. The model is composed with the maximum Young's modulus and nonlinear values for higher strain in parallel with dynamic shear modulus. The maximum values is modeled by model parameters, $A_E$ and the power of mean effective principal stress, $n_E$. The nonlinear portion is represented by modified hyperbolic model, with the model parameters of reference strain, ${\varepsilon}_r$ and curvature coefficient, a. To assess the performance of the prediction models proposed herein, the elastic response of a test trackbed near PyeongTaek, Korea was evaluated using a 3-D nonlinear elastic computer program (GEOTRACK) and compared with measured elastic vertical displacement during the passages of freight and passenger trains. The material types of sub-ballasts are crushed stone and weathered granite soil, respectively. The calculated vertical displacements within the sub-ballasts are within the order of 0.6mm, and agree well with measured values with the reasonable margin. The prediction models are thus concluded to work properly in the preliminary investigation.
New titanium alloys with a low elastic modulus have been developed for biomedical applications to avoid the stress shielding effect of the artificial prosthesis. The newly developed alloys contained the transition elements like Zr, Hf, Nb, Ta which were non-cytotoxicity elements and $\beta$ stabilizers. In the present paper the elastic moduli of Ti-xM containing Zr, Hf, Nb, Ta were evaluated by measuring the acoustic velocity (PEG). The effectiveness of the alloying elements for lowering the elastic modulus was investigated. In addition, the dominant factors for the low modulus were discussed. Ta was the most effective in lowering the elastic modulus of the alloys. The effectiveness of Hf was not acceptable for decreasing the elastic modulus. The dominant factor was the lattice parameter for Zr, and the poisson's ratio for Nb, Ta, respectively.
PURPOSES: To characterize the aging effect on asphalt binder, dynamic shear modulus mastercurve of two typical asphalt binders are developed. METHODS: To develop dynamic shear modulus mastercurve, dynamic shear modulus at high temperature and creep stiffness at low temperature are measured by temperature sweep test and bending beam rheometer test, respectively. RESULTS: It is observed that the aging effect on asphalt binder can be clearly observed from dynamic shear modulus mastercurve and the mastercurve can be utilized to predict behavior of asphalt binder at wide range of temperature. CONCLUSIONS: It is confirmed that SBS 5% modified binder has more desirable mechanical property at low and high temperature as a pavement material comparing to PG64-22 binder and the mastercurve is an effective tool to evaluate the property of asphalt binder.
Sayed Mohammad Hossein Izadi;Mahdi Fakoor;Babak Mirzavand
Steel and Composite Structures
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제53권1호
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pp.91-101
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2024
A cost-effective fabrication method suitable for research purposes is proposed in this study. The elastic modulus of the fabricated functionally graded materials is evaluated and compared using two experimental methods: the three-point bending test and the tensile test, with a focus on the fiber volume fraction of the FGM layers. New methods for computing the elastic modulus are introduced, which are based on Castigliano's theorem and the secant modulus concept, incorporating the non-linear behavior of the material. Additionally, the mode I fracture toughness of the FGM layers is measured accurately using the three-point bending test and finite element analysis, and the influence of varying fiber volume fractions on this parameter is investigated through statistical analysis. Results indicate that while an increase in fiber volume fraction correlates with a rise in elastic modulus, it does not necessarily lead to an enhancement in mode I fracture toughness, highlighting the complex interactions between material composition and mechanical properties.
MRE(magneto-rheological elastomers) is a material which shows reversible and various modulus in magnetic field. Comparing to conventional rubber vibration isolator, MREs are able to absorb vibration of broader frequency range. These characteristic phenomena result from the orientation of magnetic particles named carbonyl iron powder(CIP) in rubber matrix. In this paper, simulation on variation rate of shear modulus for anisotropic MRE due to volume fraction of CIP and an effective permeability model was applied to predict the field-induced shear modulus of MREs. Also, the variation rate of shear modulus for anisotropic MRE was derived using magneto-mechanical theory. Based on Maxwell-Garnett mixing rule, the increment of shear modulus was calculated to evaluate the shear modulus of MREs with column structure of CIP due to induced current. The simulation results on variation rate of shear modulus can be applied to the variable mechanical system of MRE such as tunable vibration absorber, stiffness variable bush and mount.
Effects of fiber-matrix interphases on the micro-and macro-mechanical behaviors of unidirectionally fiber-reinforced composites subjected to transverse shear loading at remote distance have been studied. The interphases between fibers and matrix have been modeled by the spring-layer which accounts for continuity of tractions, but allows radial and circumferential displacement jumps across the interphase that are linearly related to the normal and tangential tractions. Numerical calculations for basic cells of the composites have been carried out using the boundary element method. For an undamaged composite the micro-level stresses at the matrix side of the interphase and effective shear stiffness have been computed as functions of fiber volume ratio $V_f$ and interphase stiffness k. Results are presented for various interphase stiffnesses from the perfect bonding to the case of total debonding. For a square array composite the results show that for a high interphase stiffness k>10, an increase of $V_f$ increases the effective transverse shear modulus G over bar of the composite. For a relatively low interphase stiffness k<1, it is shwon that an increase of $V_f$ slightly decreases the effective transverse shear modulus. For the perfect bonding case, G over bar for a hexagonal array composite is slightly larger than that for a square array composite. Also for a damaged composite partially debonded at the interphase, local stress fields and effective shear modulus are calculated and a decrease in G over bar has been observed.
This study experimentally investigated the flexural capacity of a concrete beam reinforced with a newly developed GFRP bar that overcomes the lower modulus of elasticity and bond strength compared to a steel bar. The GFRP bar was fabricated by thermosetting a braided pultrusion process to form the outer fiber ribs. The mechanical properties of the modulus of elasticity and bond strength were enhanced compared with those of commercial GFRP bars. In the four-point bending test results, all specimens failed according to the intended failure mode due to flexural design in compliance with ACI 440.1R-15. The effects of the reinforcement ratio and concrete compressive strength were investigated. Equations from the code were used to predict the deflection, and they overestimated the deflection compared with the experimental results. A modified model using two coefficients was developed to provide much better predictive ability, even when the effective moment of inertia was less than the theoretical $I_{cr}$. The deformability of the test beams satisfied the specified value of 4.0 in compliance with CSA S6-10. A modified effective moment of inertia with two correction factors was proposed and it could provide much better predictability in prediction even at the effective moment of inertia less than that of theoretical cracked moment of inertia.
An enhanced first shear deformation theory for composite plate is developed. The detailed process is as follows. Firstly, the theory is formulated by modifying higher order zigzag theory. That is, the higher order theory is separated into the warping function representing the higher order terms and lower order terms. Secondly, the relationships between higher order zig-zag field and averaged first shear deformation field based on the Reissner-Mindlin's plate theory are derived. Lastly, the effective shear modulus is calculated by minimizing error between higher order energy and first order energy. Then the governing equation of FSDT is solved by substituting shear modulus into effective shear modulus. The recovery processing with the nodal unknown obtained from governing equation is performed. The accuracy of the present proposed theory is demonstrated through numerical examples. The proposed method will serve as a powerful tool in the prediction of laminated composite plate.
PMMA which is used as the bone cement for vertebroplasty is able to be a supporter, as a fixing supporter role, for broken trabecular structure, caused by the compressed fracture of spine on aged osteoporosis. In this thesis, as experimenting apparent density of bone pieces, we have figured out support extent of Young's modulus as classifying the bone pieces injected PMMA and the others which are not. In case of low apparent density of PMMA in some bone, Young's modulus seems to be more supportable to bone. On the other hand, if apparent density of bones is normal, injection of PMMA is not very effective on improvement in Young's modulus of bone cement injection.
This study analyzed the regional morphological and mechanical characteristics of vertebrae by using micro-computed tomography (micro-CT) and micro finite element analysis (FEA). For the present study, the $12^{th}$ human thoracic vertebral bones (an 85-years female and a 48-years male) were used. These were scanned by using micro-CT. Structural parameters were evaluated from the acquired 20 image data for fifteen $4{\times}4mm^2$ regions (five regions in respective layers of superior, middle and inferior part) in the thoracic vertebral trabecular bones. $4{\times}4{\times}4mm^3$ cubic finite element models of each regions were created at $70{\mu}m$ voxel resolution to investigate effective modulus ($E^+$). The present study indicated that there were significant differences in morphological and elastic mechanical characteristics of each region. There are close relationship between effective modulus and structural model index (SMI) in the bone of the 48-years male and between effective modulus and bone volume fraction (BV/TV) in the bone of the 85-years female. In addition, the effective modulus of central regions is about 80% stiffer than that of lateral regions at transverse plane. These findings may be likely to explain the previous result that a change of loading distribution of the vertebral trabecular bones is caused by spinal curvature and nucleus pulpous degeneration of the intervertebral disc.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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