Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.3
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pp.454-464
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1987
The objective of this research is to analyze and evaluate the dynamic flow curve of metals under impact loading at both high strain rate (.epsilon.=1/h dh/dt > 10$\^$3/m/s/m) and large strain (.epsilon.=In h/h$\_$0/ > 1.0). A test method for dynamic compression of metal disc is described. The velocity of the striker face and the force on the anvil are measured during the impact period. From these primitive data the axial stress, strain, and strain rate of the disc are obtained. The Strain rate is determined by the striker velocity divided by the specimen height. This gives a slightly increasing strain rate over most of the deformation period. Strain rates of 100 to 10,000 per second are achieved. Attainable final strains are 150%. A discussion of several problem areas is presented. The friction on the specimen surfaces, the determination of the frictional coefficient, the influence of the specimen geometry (h$\_$0//d$\_$0/ ratio) on the friction effect, the lock-up condition for a given configuration, the friction correction factor, and the evaluation of several lubricants are given. The flow function(stress verus strain) is dependent on the material condition(e.g., prior cold work), specimen geometry, strain rate, and temperature.
This study was conducted to understand the characteristics of the compression behavior of steel plate-concrete(SC) structures with a width-to-thickness ratio under axial loading. SC structures are structural systems where concrete is poured into steel plates to which headed stud bolts had been attached inside. The specimens were classified according to the two width-to-thickness (W/T) ratios of 1.60 and 3.56. Through these experiments, the following conclusions could be arrived at. The fracture pattern of the specimens showed that steel plate buckling occurred between the stud lines, and that a crack occurred at the concrete spalling from the sides of the concrete before the system reached the maximum compressive strength. The maximum compressive strength of the specimens was larger than that of the existing equations (AISC 2005, ACI 318-05, and KBC 2005). With the increased W/T ratio of the specimens, the strength of the concrete core was decreased to account for the confinement effects from the steel plates.
Crack instability propagation during coal and rock mass failure is the main reason for electromagnetic radiation (EMR) generation. However, original cracks on coal and rock mass are hard to study, making it complex to reveal EMR laws and mechanisms. In this paper, we prefabricated cracks of different inclinations in coal and rock samples as the analogues of the native cracks, carried out uniaxial compression experiments using these coal and rock samples, explored, the effects of the prefabricated cracks on EMR laws, and verified these laws by measuring the surface potential signals. The results show that prefabricated cracks are the main factor leading to the failure of coal and rock samples. When the inclination between the prefabricated crack and axial stress is smaller, the wing cracks occur first from the two tips of the prefabricated crack and expand to shear cracks or coplanar secondary cracks whose advance directions are coplanar or nearly coplanar with the prefabricated crack's direction. The sample failure is mainly due to the composited tensile and shear destructions of the wing cracks. When the inclination becomes bigger, the wing cracks appear at the early stage, extend to the direction of the maximum principal stress, and eventually run through both ends of the sample, resulting in the sample's tensile failure. The effect of prefabricated cracks of different inclinations on electromagnetic (EM) signals is different. For samples with prefabricated cracks of smaller inclination, EMR is mainly generated due to the variable motion of free charges generated due to crushing, friction, and slippage between the crack walls. For samples with larger inclination, EMR is generated due to friction and slippage in between the crack walls as well as the charge separation caused by tensile extension at the cracks' tips before sample failure. These conclusions are further verified by the surface potential distribution during the loading process.
To obtain the dynamic mechanical properties, fracture modes, energy and brittleness characteristics of Furong Baijiao coal rock, the dynamic impact compression tests under 0, 4, 8 and 12 MPa confining pressure were carried out using the split Hopkinson pressure bar. The results show that failure mode of coal rock in uniaxial state is axial splitting failure, while it is mainly compression-shear failure with tensile failure in triaxial state. With strain rate and confining pressure increasing, compressive strength and peak strain increase, average fragmentation increases and fractal dimension decreases. Based on energy dissipation theory, the dissipated energy density of coal rock increases gradually with growing confining pressure, but it has little correlation with strain rate. Considering progressive destruction process of coal rock, damage variable was defined as the ratio of dissipated energy density to total absorbed energy density. The maximum damage rate was obtained by deriving damage variable to reflect its maximum failure severity, then a brittleness index BD was established based on the maximum damage rate. BD value declined gradually as confining pressure and strain rate increase, indicating the decrease of brittleness and destruction degree. When confining pressure rises to 12 MPa, brittleness index and average fragmentation gradually stabilize, which shows confining pressure growing cannot cause continuous damage. Finally, integrating dynamic deformation and destruction process of coal rock and according to its final failure characteristics under different confining pressures, BD value is used to classify the brittleness into four grades.
In the companion paper, we provided the novel elastic-plastic constitutive model based on the micromechanics theory. Herein, the elastic and elastic-plastic deformation of granular soils is meticulously analyzed. To guarantee high accuracy of the microscopic parameter, the systematic procedure to evaluate the parameters is provided. The analysis of the elastic response during the isotropic and triaxial compression shows that the stress-level dependency of cross-anisotropic elastic moduli is induced by the power relationship of the contact force in the normal contact stiffness, while the evolution of fabric anisotropy is more pronounced during triaxial compression. The micromechanical analysis indicates that the plastic strains are likely to occur at very small strains. The plastic deformation of tangential contacts has an important role in the reduction of soil stiffness during axial loading.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4C
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pp.247-253
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2008
This paper investigates the mechanical characteristics of waste tire powder-added lightweight soil in which dredged soils, waste tire powder and bottom ash were reused. In this study, 5 groups of soil samples were prepared with varing contents of waste tire powder ranged from 0% to 100% at 25% intervals by the dredged soil weight. The mixed soil samples were subjected to unconfined compression and elastic wave tests to investigate their unconfined compressive strengths and dynamic properties. Test results showed that the unconfined compressive strength and unit weight decreased as the waste tire powder contents increased, but axial strain at failure increased. Also stress-strain relationship of waste tire powder-added lightweight soil showed a ductile behavior rather than a brittle behavior. The result of elastic wave tests indicated that the higher waste tire powder content, the lower elastic wave velocity and the lower shear modulus (G).
Yun, Seong Jun;Kim, Sung Hyun;Kang, Su Min;Lee, Deuckhang;Lee, Wonjun
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.6
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pp.355-364
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2024
Recently, high-rise residential buildings in Korea have adopted slender shear walls with irregular section shapes, such as T-shape, H-shape, and C-shape. In the seismic design of the slender shear walls, the transverse reinforcement for lateral confinement should be provided in the boundary elements to increase deformation capacity and subsequent ductility. However, in practice, the irregularity of the shear walls is not adequately considered, and the lateral confinement region is calculated for the rectangular wall segments. This study investigated the proper design method for lateral confinement regions using finite element analysis. The lateral confinement region was considered in analysis for two cases: 1) as a typical rectangular wall segment and 2) as an irregular wall. When the irregularity of the walls was considered, the compression zone depth was increased because the vertical reinforcement in the flange was addressed. The effect of lateral confinement design methods on the structural performance of the walls was directly compared under various design parameters, including the length of the flange, concrete compressive strength, vertical rebar layout, axial load ratio, and loading direction. According to the results of the parametric analysis, the peak strength and deformation capacity could be significantly increased when the lateral confinement region was calculated based on irregularly shaped walls, regardless of the design parameters. In addition, the effective compression zone was located within the lateral confinement region. Thus, it is recommended that the lateral confinement region of T-shaped walls is calculated by addressing the irregularity of the walls.
This study investigates the biomechanical efficacies of vertebroplasty which is used to treat vertebral body fracture with bone cement augmentation for osteoporotic patients using image and finite element analysis. Simulated models were divided into two groups: (a) a vertebral body, (b) a functional spinal unit(FSU). For a vertebral body model, the maximum axial displacement was investigated under axial compression to evaluate the effect of structural integrity. The stiffness of each FE model simulated was normalized by the stiffness of intact model. In the case of FSU model, 3 types of compression fractures were formulated to assess the influence on spinal curvature changes. The FSU models were loaded under compressive pressure to calculate the change of spinal curvature. The results according to the various factors suggest that vertebroplasty has the biomechanical efficacy of the increment of structural reinforcement in a patient who has relatively high level of BMD and a patient with the amount of 15%, PMMA injection of the cancellous bone volume. The spinal curvatures after compression fracture simulation vary from 9$^{\circ}$ to 17$^{\circ}$ of kyphosis compared to that the spinal curvature of normal model was -2.8$^{\circ}$ of lordosis. These spinal curvature changes cause the severe spinal deformity under the same loading. As the degree of compressive fracture increases the spinal deformity also increases. The results indicate that vertebroplasty has the increasing effect of the structural integrity regardless of the amount of PMMA or BMD and the restoration of decreased vertebral body height may be an important factor when the compressive fracture caused the significant height loss of vertebral body.
Ship structures are basically an assembly of plate elements and estimation load-carrying capacity or the ultimate strength is one of the most important criterion for estimated safety assessment and rational design on the ship structure. Also, Structural elements making up ship plated structures do not work separately against external load. One of the critical collapse events of a ship structure is the occurrence of overall buckling and plastic collapse of deck or bottom structure subjected to longitudinal bending. So, the deck and the bottom plates are reinforced by a number af longitudinal stiffeners to increase their strength and load-carrying capacity. For a rational design avoiding such a sudden collapse, it is very important to know the buckling and plastic behaviour or collapse pattern of the stiffened plate under axial compression. In this present study, to investigate effect af modeling range, the finite element method are used and their results are compared varying the analysis ranges. When making the FEA model, six types of structural modeling are adopted varying the cross section of stiffener. In the present paper, a series of FEM elastoplastic large deflection analyses is performed on a stiffened plate with fiat-bar, angle-bar and tee-bar stiffeners. When the applied axial loading, the influences of cross-sectional geometries on collapse behaviour are discussed. The purpose of the present study is examined to numerically calculate the characteristics of buckling and ultimate strength behavior according to the analysis method of ship's stiffened plate subject to axial loading.
Kim, Min-Joong;Lee, Gi-Yeol;Lee, Jun-Seok;Kim, Woo
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.24
no.1
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pp.25-35
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2012
For a member subjected to direct shear forces, forces are transferred across interface concrete area and resisted by shear transfer capacity. Shear-friction equations in recent concrete structural design provisions are derived from experimental test results where shear-friction capacity is defined as a function of steel reinforcement area contained in the interface. This empirical equation gave too conservative values for concrete members with large amounts of reinforcement. This paper presents a method to evaluate shear transfer strengths and to define ultimate conditions which result in crushing of concrete struts after yielding of longitudinal reinforcement perpendicular to the interface concrete. This method is based on the bi-axial stress field theory where different constitutive laws are applied in various means to gain accurate shear strengths by considering softening effects of concrete struts based on the modified compression-field theory and the softened truss model. The validity of the proposed method is examined by applying to some selected test specimens in literatures and results are compared with recent design code provisions. A general agreement is observed between predicted and measured values at ultimate loading stages in initially uncracked normal-strength concrete test.
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