Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.10a
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pp.151-154
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2002
The objective of this study is to find the change of signal characteristics of matrix cracks due to the different specimen shapes. As the concept of the smart structure, monitoring of acoustic emission (AE) can be applied to inspect the fracture of the structures in operating condition using built-in sensors. To understand the characteristics of matrix crack signals, we performed tensile tests by changing the thickness and width of the specimens. This paper describes the implementation of time-frequency analysis such as wavelet transform (WT) fur the quantitative evaluation of fracture signals. The experimental result shows the distinctive signal features in frequency domain due to the different specimen shapes.
The Discrete Element Method adopting particles for the domain discretization has recently been adopted in fracture studies of non-homogeneous continuous media such as concrete and rock. A model is proposed in which the reinforcement is modelled by 1D rigid-spring discrete elements. The rigid bars interact with the rigid circular particles that simulate the concrete through contact interfaces. The DEM enhanced model with reinforcement capabilities is evaluated using three point bending and four point bending tests on reinforced concrete beams without stirrups. Under three point bending, the model is shown to reproduce the expected final crack pattern, the crack propagation and the load displacement diagram. Under four point bending, the model is shown to match the experimental ultimate load, the size effect and the crack propagation and localization.
A developed hybrid method for crack identification of beams is presented. Based on the Euler-Bernouli beam theory and concepts of fracture mechanics, governing equation of the cracked beams is reformulated. Finite element (FE) method as a powerful numerical tool is used to discritize the equation in space domain. After transferring the equations from time domain to frequency domain, frequencies and mode shapes of the beam are obtained. Efficiency of the governed equation for free vibration analysis of the beams is shown by comparing the results with those available in literature and via ANSYS software. The used equation yields to move the influence of cracks from the stiffness matrix to the mass matrix. For crack identification measured data are produced by applying random error to the calculated frequencies and mode shapes. An objective function is prepared as root mean square error between measured and calculated data. To minimize the function, hybrid genetic algorithms (GAs) and particle swarm optimization (PSO) technique is introduced. Efficiency, Robustness, applicability and usefulness of the mixed optimization numerical tool in conjunction with the finite element method for identification of cracks locations and depths are shown via solving different examples.
This study addresses the applicability of box fractal dimension, $D_B$, as an index of statistical homogeneity of fractured rock mass. The box-count method's capability in quantifying the combined effect of fracture density and size distribution is examined systematically. Total of 129 two-dimensional fracture configurations were generated based on different combinations of fracture size distribution and fracture density. $D_B$was calculated for the generated fracture network systems using the box-counting method. It was found that was standard deviation of trace length and fracture orientation have no effect on calculated $D_B$. The estimated $D_B$ was found to increase with increasing total density and/or mean trace length. To explore the field applicability of this study, the statistical homogeneity of fractured rock mass was investigated at the rock slope and the underground facility using the box-counting method as well as conventional contingency table analysis. The results obtained in this study clearly show that the methodologies given in this paper have the capability of determining the statistical homogeneity of fractured rock mass.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.790-799
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2010
The Upper Devonian Grossmont Formation in Alberta, Canada reserves an estimated 50 billion cubic meters of bitumen and possess about 1/6 of the total bitumen resources in northern Alberta. However, unlike the overlying Athabasca oil sands, non conventional bitumen resources has not been developed as yet. The carbonate rocks of Grosmont Formation have been subject to various stages of diagenesis, including dolomatization and karstification with a strong effect on the distribution of porosity and permeability, which resulted in highly heterogeneous reservoirs. An extensive fracture logging and mapping was performed on total of six boreholes located in the study area to explore the characteristics of fracture geometry system and the subsurface structures of carbonates reservoir that holds bitumen. Fractal dimension was used as a measure of the statistical homogeneity of the fractured rock masses. The applicability of random Cantor dust, Dc, as a fractal parameter was examined systematically. The statistical homogeneity of fractured carbonates rock masses was investigated in the study area. The structural domains of the rock masses were delineated depthwise according to estimated Dc. The major fracture orientation was dominated by horizontal beddings having dip of $0-20^{\circ}$. Also, fractures having high dip angles existed with relatively low frequency. Three dimensional fracture network modeling for each structural domain has been performed based on fracture orientation and intensity, and some representative conceptual models for carbonates reservoir in the study area has been proposed. The developed subsurface conceptual models will be used to capture the geomechanical characteristics of the carbonates reservoir.
To perform the realtime strain and fracture monitoring of the smart composite structures, two optical fiber sensor systems are proposed. The two types of the coherent sources were used for fracture signal detection - EDFA with FBG and EDFA with Fabry-Perot filter. These sources were coupled to EFPI sensors imbedded in composite specimens. To understand the characteristics of matrix crack signals, at first, we performed tensile tests using surface attached PZT sensors by changing the thickness and width of the specimens. This paper describes the implementation of time-frequency analysis such as short time Fourier transform (STFT) and wavelet transform (WT) for the quantitative evaluation of fracture signals. The experimental result shows the distinctive signal features in frequency domain due to the different specimen shapes. And, from the test of tensile load monitoring using optical fiber sensor systems, measured strain agreed with the value of electric strain gage and the fracture detection system could detect the moment of damage with high sensitivity to recognize the onset of micro-crack fracture signal.
A composite model is used to represent the heterogeneity of plain concrete consisting of coarse aggregates, mortar matrix and the mortar-aggregate interface. The composite elements of plain concrete are modeled using triangular finite element units which have six interface nodes along the sides. Fracture is captured through a constitutive single branch softening-fracture law at the interface nodes, which bounds the elastic domain inside each triangular unit. The inelastic displacement at an interface node represents the crack opening or sliding displacement and is conjugate to the internodal force. The path-dependent softening behaviour is developed within a quasi-prescribed displacement control formulation. The crack profile is restricted to the interface boundaries of the defined mesh. No re-meshing is carried out. Solutions to the rate formulation are obtained using a mathematical programming procedure in the form of a linear complementary problem. An event by event solution strategy is adopted to eliminate solutions with simultaneous formation of softening zones in symmetric problems. The composite plain concrete model is compared to experimental results for the tensile crack growth in a Brazilian test and three-point bending tests on different sized specimens. The model is also used to simulate wedge-type shear-compression failure directly under the loading platen of a Brazilian test.
Cho Sung-Il;Kim Chun-Soo;Bae Dae-Seok;Kim Kyung-Su;Song Moo-Young
The Journal of Engineering Geology
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v.16
no.1
s.47
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pp.69-83
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2006
This study aims to evaluate a complex groundwater flow system around the underground oil storage caverns using the concept of hydraulic compartment. For the hydrogeological analysis, the hydraulic testing data, the evolution of groundwater levels in 28 surface monitoring boreholes and pressure variation of 95 horizontal and 63 vertical water curtain holes in the caverns were utilized. At the cavern level, the Hydraulic Conductor Domains(fracture zones) are characterized one local major fracture zone(NE-1)and two local fracture zones between the FZ-1 and FZ-2 fracture zones. The Hydraulic Rock Domain(rock mass) is divided into four compartments by the above local fracture zones. Two Hydraulic Rock Domains(A, B) around the FZ-2 zone have a relatively high initial groundwater pressures up to $15kg/cm^2$ and the differences between the upper and lower groundwater levels, measured from the monitoring holes equipped with double completion, are in the range of 10 and 40 m throughout the construction stage, indicating relatively good hydraulic connection between the near surface and bedrock groundwater systems. On the other hand, two Hydraulic Rock Domains(C, D) adjacent to the FZ-1, the groundwater levels in the upper and lower zones are shown a great difference in the maximum of 120 m and the high water levels in the upper groundwater system were not varied during the construction stage. This might be resulted from the very low hydraulic conductivity$(7.2X10^{-10}m/sec)$ in the zone, six times lower than that of Domain C, D. Groundwater recharge rates obtained from the numerical modeling are 2% of the annual mean precipitation(1,356mm/year) for 20 years.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.8
s.179
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pp.2015-2021
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2000
In order to evaluate the integrity of nuclear power plant components, the analysis based on fracture mechanics is crucial. For this purpose, finite element method is popularly used to obtain J-integral. However, it is time consuming to design the finite element model of a cracked structure. Also, the J-integral should be verified by alternative methods since it may differ depending on the calculation method. The objective of this paper is to develop a three-dimensional elastic-plastic J-integral analysis system which is named as EPAS program. The EPAS program consists of an automatic mesh generator for a through-wall crack and a surface crack, a solver based on ABAQUS program, and a J-integral calculation program which provides DI (Domain Integral) and EDI (Equivalent Domain Integral) based J-integral calculation. Using the EPAS program, an optimized finite element model for a cracked structure can be generated and corresponding J-integral can be obtained subsequently.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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