대부분이 산악지역인 국내에서는 터널 및 지하공간개발의 비중이 점점 높아지고 있다. 지하공간개발 시 지반 개량공법을 적용하여 지반을 보강하지만 국내에서는 여전히 사건 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 대표적인 지반 보강공법인 그라우팅 공법은 주입재의 총량과 실제 그라우팅 시공 시 사용한 주입재의 양을 비교하여 효과를 판정하였으며, 혹은 그라우팅 공법을 적용한 지반에 보링 후 시료의 일축압축강도 평가 혹은 현장 투수시험을 통하여 지반 보강여부를 판단하였다. 하지만, 시공 중 혹은 대상 지반 내에 지반 보강이 제대로 이루어졌는지는 판단하기는 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전도성 재료인 탄소섬유와 그라우트 재료인 마이크로시멘트를 혼합하여 그라우팅을 수행한 후 전기비저항 측정을 통해 시공 중이나 시공 후에 품질관리가 가능한 새로운 방법에 대해 연구가 필요한 실정이다. 본 연구는 이에 대한 기초연구로 전도성 재료인 탄소섬유가 혼합된 그라우트 재의 성능을 평가하기 위해 탄소섬유 0%, 3%, 5%, 7%로 혼합된 시멘트 공시체를 제작하였으며, 제작한 공시체에 대하여 3일, 7일, 28일 습도 99%의 조건으로 습윤양생 시킨 후 압축파 속도 및 전단파 속도 측정을 수행하였다. 압축파 속도 및 전단파 속도 측정 결과 탄소섬유의 배합비 및 재령일수 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 재료의 강성인 탄성계수 및 전단탄성계수도 증가하는 것을 확인하였다.
In this work, virtual material characterization of 3D orthogonal woven composites is performed to predict the elastic properties by a full scale FEA. To model the complex geometry of 3D orthogonal woven composites, an accurate unit structure is first prepared. The unit structure includes warp yarns, filler yarns, stuffer yams and resin regions and reveals the geometrical characteristics. For this virtual experiments by using finite element analysis, parallel multifrontal solver is utilized and the computed elastic properties are compared to available experimental results and the other analytical results. It is founded that a good agreement between material properties obtained from virtual characterization and experimental results. Using the method of this virtual material characterization, the effects of inconsistent filler yarn distribution on the in-plane shear modulus and filler yarn waviness on the transverse Young's modulus are investigated. Especially, the stiffness knockdown of 3D woven composite structures is simulated by virtual characterization. Considering these results, the virtual material characterization of composite materials can be used for designing the 3D complex composite structures and may supplement the actual experiments.
Based on limited number of tests on reinforced wood beams using polymer mortar in this study, following conclusions were drawn ; 1.Reinforcing compression side of wood beam using polymer mortar was effective in reducing deflection. 2.By increasing thickness of polymer mortar, effective beam stiffness was improved, but energy absorption was reduced. 3.Polymer mortar reinforcement improved compressive strength and reduced strain in compression side of the beam. Therefore, it was possible to change the failure mode from by compression in control beam to by tension in composite beams. 4.The composite beams that have more than 2cm of polymer mortar layer did not perform well because a strain redistribution and separation of meterials at interface were induced in moment span. 5.To maximize the load carrying capacity of composite beam, it is necessary to make polymer mortar and wood behave together without failing at interface. To do this, it is needed to use a polymer mortar which has high strength with such elastic modulus that is closer to elastic modulus of wood. otherwise, it is recommended to use shear connectors at interface to prevent separation of materials under ultimate load.
In the current study, the nonlinear vibration properties of an embedded zigzag single-walled carbon nanotube (SWCNT) are investigated. Winkler-type model is used to simulate the interaction of the zigzag SWCNTs with a surrounding elastic medium. The relation between deflection amplitudes and resonant frequencies of the SWCNT is derived through harmonic balance method. The equivalent Young's modulus and shear modulus for zigzag SWCNT are derived using an energy-equivalent model. The amplitude - frequency curves for large-amplitude vibrations are graphically illustrated. The simulation results show that the chirality of zigzag carbon nanolube as well as surrounding elastic medium play more important roles in the nonlinear vibration of the single-walled carbon nanotubes.
The analysis of a crack in a bone-like material is performed numerically. The bone-like material is hierarchically structured and each hierarchy is structured by mineral platelets and protein matrix through staggered arrangement. Mechanical behavior of the composite can be analyzed using tension shear chain model. The Dugdale model is adopted to evaluate the fracture energy of Bone-like material. The fracture energy dissipation is assumed to concentrate within a strip near the crack tip along the prospective crack path. Fracture criterion of the bone-like material is estimated by using J integral. Effects of hierarchical level, ratio of elastic modulus of mineral to protein, aspect ratio of mineral platelet and volume fraction on J integral are investigated. It is found that the J integral decreases as elastic modulus ratio and hierarchy level increase. It is also shown that the J integral increases as the volume fraction and aspect ratio decrease.
This paper considers the smooth receding contact problem between a homogeneous half-plane and a composite laminate composed of an inhomogeneously coated elastic layer. The inhomogeneity of the elastic modulus of the coating is approximated by an exponential function along the thickness dimension. The three-component structure is pressed together by either a concentrated force or uniform pressures applied at the top surface of the composite laminate. Both semianalytical and finite element analysis are performed to solve for the extent of contact and the contact pressure. In the semianalytical formulation, Fourier integral transformation of governing equations and boundary conditions leads to a singular integral equation of Cauchy-type, which can be numerically integrated by Gauss-Chebyshev quadrature to a desired degree of accuracy. In the finite element modeling, the functionally graded coating is divided into homogeneous sublayers and the shear modulus of each sublayer is assigned at its lower boundary following the predefined exponential variation. In postprocessing, the stresses of any node belonging to sublayer interfaces are averaged over its surrounding elements. The results obtained from the semianalytical analysis are successfully validated against literature results and those of the finite element modeling. Extensive parametric studies suggest the practicability of optimizing the receding contact peak stress and the extent of contact in multilayered structures by the introduction of functionally graded coatings.
This paper studies the forced vibration of the hydro-elastic system consisting of the anisotropic (orthotropic) plate, compressible viscous fluid and rigid wall within the scope of the exact equations and relations of elastodynamics for anisotropic bodies for describing of the plate motion, and with utilizing the linearized exact Navier-Stokes equations for describing of the fluid flow. For solution of the corresponding boundary value problem it is employed time-harmonic presentation of the sought values with respect to time and the Fourier transform with respect to the space coordinate on the coordinate axis directed along the plate length. Numerical results on the pressure acting on the interface plane between the plate and fluid are presented and discussed. The main aim in this discussion is focused on the study of the influence of the plate material anisotropy on the frequency response of the mentioned pressure. In particular, it is established that under fixed values of the shear modulus of the plate material a decrease in the values of the modulus of elasticity of the plate material in the direction of plate length causes to increase of the absolute values of the interface pressure. The numerical results are presented not only for the viscous fluid case but also for the inviscid fluid case.
An alternative design to conventional class II cavity preparation for proximal carious lesions is the tunnel preparation. It preserves the marginal ridge intact, thus making it possible to maintain the natural contact relationship with the adjacent tooth and minimize tooth reduction. This in vitro study was purposed to evaluate the effect of the materials' elastic constants and shear-bond strength on the marginal ridge fracture resistance of teeth restored by the tunnel technique, and to find the materials of choice for tunnel restorations. $Resinomer^{(R)}$, $Ketac-silver^{(R)}$, $Miracle-Mix^{(R)}$, and Tytin were used as restorative material. The elastic constants of each restorative material were evaluated by ultrasonic pulse measurement. Young's modulus and bulk modulus of the restorative materials were evaluated in three specimens for each material type. The shear-bond strength of the restorative materials to the dentin surface was measured after thermocycling 400 times between 6 and $60^{\circ}C$, using ten specimens for each material type. For measuring marginal ridge strength, 60 sound extracted molar teeth were distributed into six groups by size. Sound molar teeth were used as a Control group and unfilled prepared teeth were grouped as Unrestored. Another four groups were named Resinomer group, Ketac-Silver group, Miracle Mix group, and Tytin group by type of restorative material. Tunnel cavity preparation was done with ' 1/2, 2, and 4 round burs in sequence. Initial access to proximal surface was made through an occlusal access preparation started at least 2mm from the marginal ridge, and the proximal opening was formed about 2.5mm below the marginal ridge. After restoration and thermocycling, marginal ridge strength was measured using a universal testing machine. The results were as follows: 1. The Young's modulus of $Tytin^{(R)}$ was 63.95 GPa, followed by $Ketac-Silver^{(R)}$ 27.60 GPa, $Miracle-mix^{(R)}$ 18.48 GPa, and $Resinomer^{(R)}$ 10.74 GPa showing significant differences between the groups(P<0.05). The bulk modulus of the materials showed the same order as Young's modulus. The value of $Tytin^{(R)}$ showed 59.57 GPa indicating that it will deform less than other materials under the same stress. It was followed by $Ketac-Silver^{(R)}$ 23.57 GPa, Miracle $Mix^{(R)}$ 12.50 GPa, and $Resinomer^{(R)}$ 11.60 GPa. 2. The Resinomer group had a shear-bond strength of 7.41 MPa which was significantly higher than those of the Ketac-Silver group (1.80 MPa) and the Miracle Mix group (2.84 MPa) (P<0.01). All the specimens of Tytin group detatched from the dentin surface during thermocycling. 3. The mean marginal ridge strength of the Unrestored group(46.14 kgf) was significantly lower than that of the Control group (84.24 kgf) (P<0.01). The marginal ridge strength of teeth restored by the tunnel technique was, in order, Ketac-Silver group 74.06 kgf, Miracle Mix group 73.36 kgf, Resinomer group 63.47 kgf, and Tytin group 58.76 kgf. The Ketac-Silver, Miracle Mix, and Resinomer groups showed no significant difference with the Control group (P>0.05), but the Tytin group showed significantly lower strength compared to the Control group(P<0.05). The results showed that the marginal ridge strength of the teeth restored by the tunnel technique was not significantly lower than that of sound teeth. They also demonstrated that the bonding strength of the restorative material to the tooth surface should be high and the modulus of elasticity should not be lower than that of the tooth in order to restore the marginal ridge strength to its natural condition.
An analytical method considering axial equilibrium is proposed for the short- and long-term analyses of shear lag effect in reinforced concrete (RC) box girders. The axial equilibrium of box girders is taken into account by using an additional generalized displacement, referred to as the longitudinal displacement of the web. Three independent shear lag functions are introduced to describe different shear lag intensities of the top, bottom, and cantilever plates. The time-dependent material properties of the concrete are simulated by the age-adjusted effective modulus method (AEMM), while the reinforcement is assumed to behave in a linear-elastic fashion. The differential equations are derived based on the longitudinal displacement of the web, the vertical displacement of the cross section, and the shear lag functions of the flanges. The time-dependent expressions of the generalized displacements are then deduced for box girders subjected to uniformly distributed loads. The accuracy of the proposed method is validated against the finite element results regarding the short- and long-term responses of a simply-supported RC box girder. Furthermore, creep analyses considering and neglecting shrinkage are performed to quantify the time effects on the long-term behavior of a continuous RC box girder. The results show that the proposed method can well evaluate both the short- and long-term behavior of box girders, and that concrete shrinkage has a considerable impact on the concrete stresses and internal forces, while concrete creep can remarkably affect the long-term deflections.
Headed studs welded to steel beams and embedded within the concrete of deck slabs are vital components of modern composite floor systems, where safety and economy depend on the accurate predictions of the stud shear resistance. The multitude of existing deck profiles and the complex behavior of studs in deck slab ribs makes developing accurate and reliable mechanical or empirical design models challenging. The paper addresses this issue by presenting a machine learning (ML) model developed from the natural gradient boosting (NGBoost) algorithm capable of producing probabilistic predictions and a database of 464 push-out tests, which is considerably larger than the databases used for developing existing design models. The proposed model outperforms models based on other ML algorithms and existing descriptive equations, including those in EC4 and AISC 360, while offering probabilistic predictions unavailable from other models and producing higher shear resistances for many cases. The present study also showed that the stud shear resistance is insensitive to the concrete elastic modulus, stud welding type, location of slab reinforcement, and other parameters considered important by existing models. The NGBoost model was interpreted by evaluating the feature importance and dependence determined with the SHapley Additive exPlanations (SHAP) method. The model was calibrated via reliability analyses in accordance with the Eurocodes to ensure that its predictions meet the required reliability level and facilitate its use in design. An interactive open-source web application was created and deployed to the cloud to allow for convenient and rapid stud shear resistance predictions with the developed model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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