When a crack is produced in a concrete structure, a micro crack zone of fracture process zone (FPZ) appears at the crack tip. To investigate the behaviour of this the micro crack zone, nonlinear fracture mechanics (NLFM) must be applied. However, when a massive concrete structure such as a concrete gravity dam is considered, the micro crack zone can be neglected and the structure can be assumed to have linear elastic fracture mechanics (LEFM) behaviour. This study is divided into two main topics : (1) Calculating stress intensity factor (SIF) at the crack tip by surface integral method and (2) Investigating the propagation of the initial crack. If the initial crack propagates, the angle of the propagation is calculated by using maximum circumferential tensile strength theory. This study, also, contains the effects of body forces and water pressures on the crack face.
The relationship between structural geometry and number of life cycles to failure is investigated to improve the fatigue life of structural components. The linear elastic fracture mechanics(LEFM) approach is integrated with shape optimal design methodology. The primary objective of this study is to decide an optimal shape for enhancing the life of the structure. The results from LEFM analyses are used in the fatigue model to predict the life of the structure before failure is occurred. The shape of the structure is optimized by using the growth strain method. Relevant issues such as problem formulation, finite element modeling are explained. Three design examples are solved, and the results show that, with proper shape changes, the life of structural systems subjected to fatigue loads can be enhanced significantly.
An Articulated tower is one of the compliant offshore structures connected to the sea-bed through a universal joint which is the most vulnerable location of the tower that sustains the randomly fluctuating shear stresses. The time history response of the bottom hinge shear is obtained and presented in the spectral form. The fatigue and fracture reliability assessment of the tower joint against randomly varying shear stresses have been carried out. Non-linear limit state functions are derived in terms of important random variables using S-N curve and fracture mechanics approaches. Advanced First Order Reliability Method is used for reliability assessment. Sensitivity analysis shows the influence of various variables on the hinge safety. Fatigue life estimation has been made using probabilistic approach.
Analytical investigations were performed of a longitudinal crack representing a cylindrical surface in circular shafts loaded in torsion with taking into account the non-linear material behavior. Both functionally graded and multilayered shafts were analyzed. It was assumed that the material is functionally graded in radial direction. The mechanical behavior of shafts was modeled by using non-linear constitutive relations between the shear stresses and shear strains. The fracture was studied in terms of the strain energy release rate. Within the framework of small strain approach, the strain energy release rate was derived in a function of the torsion moments in the cross-sections ahead and behind the crack front. The analytical approach developed was applied to study the fracture in a clamped circular shaft. In order to verify the solution derived, the strain energy release rate was determined also by considering the shaft complimentary strain energy. The effects were evaluated of material properties, crack location and material non-linearity on the fracture behavior. The results obtained can be applied for optimization of the shafts structure with respect to the fracture performance. It was shown that the approach developed in the present paper is very useful for studying the longitudinal fracture in circular shafts in torsion with considering the material non-linearity.
Fracture Mechanics does work for concrete, provided that a finite nonlinear zone at fracture front is being considered. The development of model for fracture process zone is most important to describe fracture phenomena in concrete. The fracture process zone is a region ahead of a traction-free crack, in which two major mechanisms, microcracking and bridging, play important rules. The toughness due to bridging is dominant compared to toughness induced by microcracking, so that the bridging is dominant mechanism governing the fracture process of concrete. In this paper the bridging zone, which is a part of extended macrocrack with stresses transmitted by aggregates in concrete, is model led by a Dugdale-Barenblatt type model with linear tension-softening curve. Two finite element techniques are shown for the model of fracture process zone in concrete.
본 논문은 강섬유보강 콘크리트의 인성을 평가하기 위하여 비선형 파괴역학 파라메터의 하나인 J적분이 최대하중점 파괴기준이 적용될 때 휨시험으로부터 하중-처짐곡선으로부터 간편하게 사용될 수 있음을 설명하고, 강섬유로 보강된 고강도콘크리트를 대상으로 노치를 가진 휨시험편을 제작하여 3점 재하실험을 실시하고, 그것으로부터 $J_{IC}$와 선형파괴역학 파라메터인 $K_{IC}$와 $G_{IC}$를 얻고 각각을 비교 고찰하였다. 그 결과, 강섬유보강 콘크리트의 파괴인성을 평가하기 위해서는 $J_{IC}$가 $K_{IC}$나 $G_{IC}$보다 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한 강섬유 혼입률 0.5% 이하에서는 고강도콘크리트의 인성의 증진효과가 거의 없었으나, 섬유혼입률 1.0% 이상에서는 $J_{IC}$가 뚜렸한 증가를 보이고 있어 콘크리트의 개선된 인성특성을 잘 나타내고 있었으며. $K_{IC}$나 $G_{IC}$는 그렇지 못하였다. 그러나, $J_{IC}$의 정량화에 이용하는 공시체의 크기는 $J_{IC}$의 계산에 필요한 최대강도점에서 포텐셜에너지의 변동이 적고 시험편의 취급도 간편한 공시체의 선택이 필요하며, $J_{IC}$ 의 실험적 평가에 의해서 얻어지는 결과는 최대하중점에서 얻어짐으로 인하여 최대하중점의 선정에 아주 크게 좌우되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 강섬유 보강 콘크리트와 같은 비균질(非均質) 재료(材料)의 경우에는 균열의 진전과정(進展過程)이 불규칙적이므로 균열 발생점을 바르게 찾아내는 측정기술(測定技術)과 정도상(程度上)외 문제점을 포함하여, 파괴인성에 대한 좀 더 바람직한 평가방법 등이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
In order to consider the concept of the fitness for purpose'in fatigue design of offshore structure, fracture mechanics is applied to evaluate initial or weld defects. Generally, linear elastic fracture mechanics has been applied to tstimate initial fatigue crack propagation rate as well as long fatigue crack propagation rate. But, initial fatigue crack propagation rate in elasto-plastic notch field may not be characterized by application of stress intensity factor range .DELTA. K, because plastic effect due to stress concentration of notch may contribute to initial crack propagation. Therefore, to introduce the plastic effect into fatigue crack driving force, in this studty, the evaluating method of J-integral range .DELTA. J, was developed by willson was modified for application to notch field. In calculation of .DELTA. J obtained from the modified J-integral, stress gradient and crack closure behavior in the notch field were considered. The initial crack propagation rates in the notch fields of mild steels and high tensile strength steels were correlated to .DELTA. J. As the result, it was cleared that the present .DELTA. J is applicable to charachterize the fatigue crack propagation rates in both the elastic and elasto-plastic notch fields.
The large-scale structures have the possibility that there are defects such as cracks due to stress concentration caused by geometric discontinuities in the structure. In this respect, the assessment of fatigue life and the development of structural health monitoring(SHM) are very important. Fatigue design of structure is typically accomplished either using a set of stress cycle (S-N) data obtained from fatigue tests or using the fracture mechanics approach. The stress intensity factor(SIF) is required for the estimation of fatigue crack propagation life from the linear elastic fracture mechanics (LEFM) perspective. In this study, Macro Fiber Composie(MFC) sensor for the measurement of SIF of two dimensional cracks is used. The SIF based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. The measured values of the SIF are later used for the prediction of the crack propagation life. In this study, the measured value of the SIF and the fatigue life are compared with the theoretical results.
The objective of this study is to examine the fracture characteristics of concrete at early ages such as critical stress intensity factor, critical crack-tip opening displacement, fracture energy based on the concepts of the effective-elastic crack model and the cohesive crack model. A wedge splitting test for Mode I was performed on cubic wedge specimens with a notch at the edge. By varying strength and age, load-crack mouth opening displacement curves were obtained and the results were analyzed by linear elastic fracture mechanics. The results from the test and analysis showed that critical stress intensity factor and fracture energy increased, and critical crack-tip opening displacement decreased with concrete age from 1 day to 28 days. The obtained fracture parameters at early ages may be used as a fracture criterion and an input data for finite element analysis of concrete at early ages.
Work factor approach is conveniently used in metal fracture mechanics to determine fracture toughness from a single fracture test. In this work, we investigated the applicability of the work factor approach in order to determine fracture toughness of thick graphite/epoxy composites in the hydrostatic pressure environment from a single fracture test. The effect of hydrostatic pressure on the elastic work factor was studied, The stacking sequence used was multi-directional, [0$^{\circ}$/${\pm}$45$^{\circ}$/90$^{\circ}$]. The hydrostatic pressures applied were 0.1 MPa, 100 MPa, 200 MPa, and 300 MPa. The results showed that the elastic work factor was not affected by the hydrostatic pressure, The elastic work factor decreased in a linear fashion with crack length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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