Since the linear elastic fracture analysis has been proved to be insufficient in predicting the failure of strain hardening materials, a number of fracture concepts have been studied which remain applicable in the presence of plasticity near a crack tip. This work thereby presents a new finite element model to predict the elastic-plastic crack-tip field and fatigue life of center-cracked panels(CCP) with ductile fracture under large-scale yielding conditions. Also, this study has been carried out to investigate the path-dependence of J-integral within the plastic zone for elastic-perfectly plastic, bilinear elastic-plastic, and nonlinear elastic-plastic materials. Based on the incremental theory of plasticity, the p-version finite element is employed to account for the accurate values of J-integral, the most dominant fracture parameter, and the shape of plastic zone near a crack tip by using the J-integral method. To predict the fatigue life, the conventional Paris law has been modified by substituting the range of J-value denoted by ${\Delta}J$ for ${\Delta}K$. The experimental fatigue test is conducted with five CCP specimens to validate the accuracy of the proposed model. It is noted that the relationship between the crack length a and ${\Delta}K$ in LEFM analysis shows a strong linearity, on the other hand, the nonlinear relationship between a and ${\Delta}J$ is detected in EPFM analysis. Therefore, this trend will be depended especially in the case of large scale yielding. The numerical results by the proposed model are compared with the theoretical solutions in literatures, experimental results, and the numerical solutions by the conventional h-version of the finite element method.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.5
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pp.67-74
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2015
RC (Reinforced Concrete) structures are considered as cost-benefit and durable however performances of structural safety and durability are degraded due to steel corrosion. Service life in RC structure is differently evaluated due to different local environmental conditions even if it is exposed to the same chloride attack. In the paper, 25 concrete cores from field investigation are obtained from 4 RC columns with duration of 3.5~4.5 years exposed to sea water. Through total chloride content measurement, surface chloride contents and apparent diffusion coefficients are evaluated. Service life of the target structure is estimated through deterministic method based on Fick's $2^{nd}$ Law and probabilistic method based on durability failure probability, respectively. Probability method is evaluated to be more conservative and relatively decreased service life is evaluated in tidal zone and splash zone over 40.0 m. Chloride penetration behavior with coring location from sea level and the present limitations of durability design method are investigated in the paper.
Conventional fracture tests of resistance spot welds have been performed without consideration of the paint baking process in the automobile manufacturing line. The aim of this paper is to investigate the effect of the paint baking process on load carrying capacity and fracture mode for resistance spot welded 590 dual phase (DP), 780DP, 980DP, 590 transformation in duced plasticity (TRIP), 780TRIP and 1180 complex phase (CP) steels. With paint baking after resistance spot welding, the l-shape tensile test (LTT) and nano-indentation test were conducted on the as-welded and paint baked samples. Paint baking increased the load-carrying capacity of the resistance spot welded samples and improved the fracture appearance from partial interfacial fracture (PIF) to button fracture (BF). Improvement in fracture appearance after LTT is observed on weldments of 780 MPa grade TRIP steels, especially in the low welding current range with paint baking conditions. The higher carbon contents (or carbon equivalent) are attributed to the low weldability of the resistance spot welding of high strength steels. Improvement of the fracture mode and load carrying ability has been achieved with ferrite hardening and carbide formation during the paint baking process. The average nano-indentation hardness profile for each weld zone shows hardening of the base metal and softening of the heat affected zone (HAZ) and the weld metal, which proves that microstructural changes occur during low temperature heat treatment.
This paper theoretically studies the cyclic behavior of hybrid connections between steel coupling beams and concrete shear walls with embedded steel columns. Finite element models of connections with long and short embedded steel columns are built in ABAQUS and validated against the test results in the companion paper. Parametric studies are carried out using the validated FE model to determine the key influencing factors on the load-bearing capacity of connections. A close-form solution of the load-bearing capacity of connections is proposed by considering the contributions from the compressive strength of concrete at the interface between the embedded beam and concrete, shear yielding of column web in the tensile region, and shear capacity of column web and concrete in joint zone. The results show that the bond slip between embedded steel members and concrete should be considered which can be simulated by defining contact boundary conditions. It is found that the loadbearing capacity of connections strongly depends on the section height, flange width and web thickness of the embedded column. The accuracy of the proposed calculation method is validated against test results and also verified against FE results (with differences within 10%). It is recommended that embedded steel columns should be placed along the entire height of shear walls to facilitate construction and enhance the ductility. The thickness and section height of embedded columns should be increased to enhance the load-bearing capacity of connections. The stirrups in the joint zone should be strengthened and embedded columns with very small section height should be avoided.
Delayed hydride cracking (DHC) is an important failure mechanism for Zircaloy tubes in the demanding environment of nuclear reactors. The threshold stress intensity factor, $K_{IH}$, and critical hydride length, $l_C$, are important parameters to evaluate DHC. Theoretical models of them are developed for Zircaloy tubes undergoing non-homogenous temperature loading, with new stress distributions ahead of the crack tip and thermal stresses involved. A new stress distribution in the plastic zone ahead of the crack tip is proposed according to the fracture mechanics theory of second-order estimate of plastic zone size. The developed models with fewer fitting parameters are validated with the experimental results for $K_{IH}$ and $l_C$. The research results for radial cracking cases indicate that a better agreement for $K_{IH}$ can be achieved; the negative axial thermal stresses can lessen $K_{IH}$ and enlarge the critical hydride length, so its effect should be considered in the safety evaluation and constraint design for fuel rods; the critical hydride length $l_C$ changes slightly in a certain range of stress intensity factors, which interprets the phenomenon that the DHC velocity varies slowly in the steady crack growth stage. Besides, the sensitivity analysis of model parameters demonstrates that an increase in yield strength of zircaloy will result in a decrease in the critical hydride length $l_C$, and $K_{IH}$ will firstly decrease and then have a trend to increase with the yield strength of Zircaloy; higher fracture strength of hydrided zircaloy will lead to very high values of threshold stress intensity factor and critical hydride length at higher temperatures, which might be the main mechanism of crack arrest for some Zircaloy materials.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.5A
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pp.503-510
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2009
Latex modified concrete (LMC) is a successful polymer-portland cement concretes, which have been developed and used for many years, in overlaying bridge decks and resurfacing industrial floors. The excellent bond strength to substrate, easy application and high resistance to impact, abrasion, wear, aggressive chemicals and freeze-thaw deterioration have made this material used widely. The objective of this study was to determine experimentally the load-deflection response and ultimate strength of reinforced RC beams. The cracking patterns and the mode of failure were observed. Because of excellent bond strength and repairing effects, the RC beams repaired by LMC at compression or tension zone showed over 100% recovery from damaged structures. The RC beams overlaid by LMC showed significant improvement at load carrying capacity as overlay thickness increases. However, the beams repaired of tension zone without shear stirrups almost showed no strengthen effect, and indicated an interfacial failures. The interfacial behavior was estimated by numerical method adopting the concept of shear flow.
Jong-Won Lee;Eui-Seob Park;Junhyung Choi;Tae-Min Oh;Min-Jun Kim
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.5
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pp.511-525
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2024
Underground openings significantly affect the mechanical stability of underground spaces and create damaged zones. This study investigated the acoustic emission (AE) characteristics associated with the formation of damaged zones around circular openings. Uniaxial compression experiments were conducted on three types of rock specimens, namely, granite (GN-1 and GN-2), gabbro (GB), and slate (SL), containing a circular opening. AE and digital image correlation (DIC) techniques were used to monitor and evaluate the damaged zones near the circular openings. The AE characteristics were evaluated using AE parameters, including count, energy, amplitude, average frequency, and RA value. The DIC results revealed that the estimated diameters of the damaged zones of GN-1, GN-2, GB, and SL were 1.66D, 1.53D, 1.49D, and 1.9D, respectively. The average displacements at the surface of the damaged zones for these specimens were 0.814, 0.786, 0.661, and 0.673 mm, respectively, thus demonstrating a strong correlation with Young's modulus. The AE analysis with DIC revealed that tensile failure occurred in the direction parallel to the maximum compression axis as the load increased. Thus, this study provides fundamental data for a comprehensive analysis of damaged zones in underground openings and will facilitate the optimization of rock engineering projects and safety assessments thereof.
Kim, Hong-Gyun;Ok, Young-Seok;Kim, Seung-Hyun;Koo, Ho-Bon
The Journal of Engineering Geology
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v.23
no.2
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pp.149-160
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2013
Volcanic activity commonly creates a highly complicated volcanic complex due to the admixture of lava flow and sedimentation of volcanic ash. The Song-Gok site is composed of volcanic rocks that collapsed at the lower part of the slope, in combination with several discontinuities in and around a fault. The results of projection analysis indicated the possibility of plane, wedge, and toppling failure in the failure section. The results of discontinuity modeling using the Distinct Element Method (DEM) revealed a total displacement of 207 mm and a joint shear displacement of 114 mm. The yield surface zone was verified at the fault plane of the failure section. In geotechnical terms, volcanic rock slopes are characteristically vulnerable to failure because of differential weathering among the various rock types, the effect of groundwater based on the permeability of the rocks, and the presence of systematic joints generated by the cooling and contraction of lava. When considering the stability of a volcanic rock slope, it is necessary to consider data such as the geological features of the rock, as obtained through detailed geological survey, and variations in discontinuities and rock blocks.
Kim, Seung-Hyun;Koo, Ho-Bon;Hwang, Jin-Hyun;Son, Moon
The Journal of Engineering Geology
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v.21
no.4
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pp.313-322
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2011
On September 2007, numerous slopes at Jeonranam-Do collapsed as a result of rainfall related to Typhoon Nari. Failure occurred at a road cut-slope on the ${\bigcirc}{\bigcirc}$ detour road, damaging transport infrastructure. This study aims to determine the cause of failure based on field investigations, the geotechnical properties of soil, clay mineral composition, and quantitative analysis. The studied cut slope consists of weathered soil that originated from volcanic rocks, and minor faults and a mafic dyke. Surface water tends to seep into the soil because the roadway is not sealed and because of poorly installed drainage. Sieve and XRD analyses indicate that soils in the failure zone are ML and CH, which are prone to swelling due to the presence of clay minerals such as smectite and vermiculite. The slope failed due to the improper construction of drainage facilities, the presence of geological weak zones, and high soil contents of swelling clay.
The use of materials for modern lightweight auto-bodies is becoming more complex than hitherto assemblies. The high strength materials nowadays frequently used for more specific fields such as the front and rear sub frames, seat belts and seats are mounted to the assembled body structure using bolt joints. It is desirable to use nuts attached to the assembled sheets by projection welding to decrease the number of loose parts which improves the quality. In this study, nut projection welding was carried out between a nut of both boron steel and carbon steel and ultra-high strength hot-stamped steel sheets. Then, the joints were characterized by optical and scanning electron microscope. The mechanical properties of the joints were evaluated by microhardness measurements and pullout tests. An indigenously designed sample fixture set-up was used for the pull-out tests to induce a tensile load in the weld. The fractography analysis revealed the dominant interfacial fracture between boron steel nut weld which is related to the shrinkage cavity and small size fusion zone. A non-interfacial fracture was observed in carbon steel nut weld, the lower hardness of HAZ caused the initiation of failure and allowed the pull-out failure which have higher in tensile strengths and superior weldability. Hence, the fracture load and failure mode characteristics can be considered as an indication of the weldability of materials in nut projection welding.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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