Development of lightweight implant plates are important to reduce the stress shielding effect for a prosthesis of femur bone fractures. Stainless steel (SS-316L) is a widely used material for making implants. Stress shielding effect and other issues arise due to the difference in mechanical properties of stainless steel when compared with bone. To overcome these issues, composite materials seem to be a better alternative solution. The comparison is made between two biocompatible composite materials, namely Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene. "Titanium (Ti)" is fiber material while "hydroxyapatite" and "polypropylene" are matrix materials. These two composites have Young's modulus closer to the bone than stainless steel. Besides the variety of bones, present paper constrained to femur bone analysis only. Being heaviest and longest, the femur is the most likely to fail among all bone failures in human. Modelling of the femur bone, screws, implant and assembly was carried out using CATIA and static analysis was carried out using ANSYS. The femur bone assembly was analyzed for forces during daily activities. Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene composite implants induced more stress in composite implant plate, results less stress induced in bone leading to a reduction in shielding effect than stainless steel implant plate thus ensuring safety and quick healing for the patient.
Hameed, R.;Hasnain, K.;Riaz, M. Rizwan;Khan, Qasim S.;Siddiqi, Zahid A.
Advances in concrete construction
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v.9
no.2
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pp.195-205
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2020
In this study, effect of recycled aggregates and polypropylene fibers on the response of conventionally reinforced concrete element subjected to tensile loading in terms of tension stiffening and strain development was experimentally investigated. For this purpose, concrete prisms of 100 × 100 mm cross section and 500 mm length having one central deformed steel re-bar were cast using fibrous and non-fibrous Recycled Aggregate Concrete (RAC) with varying percentages of recycled aggregates (0%, 25%, 50%, 75% and 100%) and tested under uniaxial tensile load. For all fibrous RAC mixes, polypropylene fibers were used at constant dosage of 3.15 kg/㎥. Effect of recycled aggregates and fibers on the compressive strength of concrete was also explored in this study. Through studying tensile load versus global axial deformation of composite and strain development in concrete and steel, it was found that replacement of natural aggregates with recycled aggregates in concrete negatively affected the cracking load, tension stiffening and strain development, and this negative effect was observed to be increased with increasing contents of recycled aggregates in concrete. The results of this study showed that it was possible to minimize the negative effect of recycled aggregates in concrete by the addition of polypropylene fibers. Reinforced concrete element constructed using concrete containing 50% recycled aggregates and polypropylene fibers exhibited cracking behavior, tension stiffening and strain development response almost similar to that of concrete element constructed using natural aggregate concrete without fiber.
Ghamari, Ali;Kurdi, Javad;Shemirani, Alireza Bagher;Haeri, Hadi
Computers and Concrete
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v.25
no.6
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pp.509-516
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2020
Adding fibers improves concrete performance in respect of strength and plasticity. There are numerous fibers for use in concrete that have different mechanical properties, and their combination in concrete changes its behavior. So, to investigate the behavior of the fiber reinforced concrete, an in vitro study was conducted on concrete with different fiber compositions including different ratios of steel, polypropylene and glass fibers with the volume of 1%. Two forms of fibers including single-stranded and aggregated fibers have been used for testing, and the specimens were tested for compressive strength and dividable tensile strength (splitting tensile) to determine the optimal ratio of the composition of fibers in the concrete reinforced by hybrid fibers. The results show that the concrete with a composition of steel fibers has a better performance than other compounds. In addition, by adding glass and propylene fibers to the composition of steel fibers, the strength of the samples is reduced. Also, if using the combination of fibers is required, the use of a combination of glass fibers with steel fibers will provide a better compressive strength and tensile strength than the combination of steel fibers with propylene.
Dadmand, Behrooz;Pourbaba, Masoud;Sadaghian, Hamed;Mirmiran, Amir
Advances in concrete construction
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v.10
no.3
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pp.195-209
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2020
This study investigates the behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) with hybrid macro-micro steel and macro steel-polypropylene (PP) fibers. Compression, direct and indirect tension tests were carried out on cubic and cylindrical, dogbone and prismatic specimens, respectively. Three types of macro steel fibers, i.e., round crimped (RC), crimped (C), and hooked (H) were combined with micro steel (MS) and PP fibers in overall ratios of 2% by volume. Additionally, numerical analyses were performed to validate the test results. Parameters studied included, fracture energy, tensile strength, compressive strength, flexural strength, and residual strength. Tests showed that replacing PP fibers with MS significantly improves all parameters particularly flexural strength (17.38 MPa compared to 37.71 MPa). Additionally, the adopted numerical approach successfully captured the flexural load-deflection response of experimental beams. Lastly, the proposed regression model for the flexural load-deflection curve compared very well with experimental results, as evidenced by its coefficient of correlation (R2) of over 0.90.
Incorporation of wastes glass aggregate in mortar may cause crack and this may result in the strength reduction due to alkali-silica reaction(ASR) and expansion. The purposes of this study were to investigate the properties of alkali-silica expansion and strength loss through a series of experiments which had a main experimental variables such as waste glass aggregate contents, glass colors, fiber types, and fiber contents. The steel fibers and polypropylene fibers were used for constraining the ASR expansion and mortar cracking. From the result, green waste glass was more suitable than brown one because of low expansion. And in this accelerated ASTM C 1260 test of waste glass, pessimum content can not be found. Also, when used the fibers with waste glass, there is an effect on reduction of expansion and strength loss due to ASR between the alkali in the cement paste and the silica in the waste glass. Specially, adding 1.5 vol.% of steel fiber to 20% of waste glass, the expansion ratio was reduced by 40% and flexural strength was developed by up to 110% comparing with only waste glass(80$\^{C}$ H$_2$O curing).
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.6
no.2
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pp.225-231
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2002
Severe cracks on Reinforced Concrete (RC) structures caused by structural displacement can be often one of the main reasons for the degradation of tensile and flexural rigidities of RC structures and for the deterioration of durability and serviceability of RC structures through accelerated steel corrosion. These combined factors adversely affect the performance of RC concrete, leading to shortened life time of RC structures. In consideration of these problems, we conducted 3 point bending experiments by employing three different types of concrete specimens: fiber-net reinforced concrete (FNRC), polypropylene-fiber reinforced concrete (PFRC), and plain concrete (PC). FNRC is well known for its strong corrosion resistance, light self-weight, and excellent tensile strength, while PFRC is known to be effective in crack control. FNRC was found to have the best first and final crack resistances followed by PFRC and PC, as evidenced by the highest initial crack load and the smallest final crack width, respectively. The FNRC specimens with various tensile strength of fiber net exhibited greater ultimate strengths than those for PFRC and PC. Furthermore, the crack widths of FNRC specimens were smaller than those calculated by the crack-width estimation equation of the KCI and ACI code. Therefore, we conclude that fiber net reinforcement is effective not only on crack control, but also on loading share.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.05a
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pp.49-54
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2001
Using waste glass in concrete can cause crack and strength loss by the expansion of alkali-silica reaction(ASR). In this study, ASR expansion and properties of strength were analyzed in terms of brown waste glass content, and fibers(steel fiber, polypropylene fiber) and fiber content for reduction ASR expansion due to waste glass. In this accelerated ASTM C 1260 test of waste glass, pessimum content can not be found. Also, when used the fibers with waste g1ass, there is an effect on reduction of expansion and strength loss due to ASR between the alkali in the cement paste and the silica in the waste glass. Specially, adding 1.5 vol.% of steel fiber to 20% of waste glass the expansion ratio was reduced by 40% and flexural strength was developed by up to 110% comparing with only Waste glass ( $80^{\circ}C$$H_{2}$ O curing).
This study evaluated the mechanical performance, shrinkage crack and fire resistance of hybrid fiber (blended steel and polypropylene fiber with different diameter and length) reinforced concrete at elevated temperature. The compressive, splitting tensile, flexural, plastic shrinkage test were conducted to the evaluate the mechanical properties and the resistance of shrinkage crack. Also, the surface investigation, reduction rate of mass and residual compressive test were performed to evaluate the physical and mechanical properties after 400$^{\circ}C$, 600$^{\circ}C$, 800$^{\circ}C$ and 1,200$^{\circ}C$ exposure. Test results showed that the hybrid fiber reinforced concrete improved the mechanical performance, shrinkage crack and fire resistance. The reduction of performance with a temperature change were high at the temperature of $600\sim800^{\circ}C$.
Jung, Jong Ki;Park, Kihun;Bang, Daesuk;Oh, Myunghoon;Kim, Bongseok;Lee, Jong Keun
Polymer(Korea)
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v.38
no.2
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pp.250-256
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2014
Polypropylene (PP) composites containing conductive multi-walled carbon nanotube (MWNT) and stainless steel short fiber (SSF) were manufactured using a twin screw extruder and characterized their surface resistivity and mechanical properties in this work. Surface resistivity measurements showed that the percolation threshold appeared at a lower MWNT loading when a small amount of SSF was added to PP/MWNT composites. Tensile modulus and strength of the composites increased but elongation-at-break decreased greatly compared to pure PP. Also, the effects of MWNT and SSF on storage modulus and tan ${\delta}$ from dynamic mechanical analysis for the composites were examined, and the morphologies of fractured surface and the fillers were observed using a scanning electron microscope.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2008.11a
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pp.457-460
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2008
This study evaluated fire resistance performance for polypropylene/steel fiber reinforced high strength concrete column. Full-size columns were constructed and tested with or without fibers using ISO-834 fire curve. As the result of test, non-fiber high strength concrete column specimen occurred serious spalling and indicated rapidly internal temperature increase. Specimen with polypropylene fiber occurred not spalling. Specimen with hybrid fiber occurred not spalling as well as does not propagated temperature propagation. Therefore, hybrid fiber reinforced column specimen indicated a good fire resistance performance than other cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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