Tarar, Wasim;Herman Shen, M.H.;George, Tommy;Cross, Charles
Structural Engineering and Mechanics
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v.35
no.5
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pp.571-592
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2010
An energy-based fatigue life prediction framework was previously developed by the authors for prediction of axial, bending and shear fatigue life at various stress ratios. The framework for the prediction of fatigue life via energy analysis was based on a new constitutive law, which states the following: the amount of energy required to fracture a material is constant. In the first part of this study, energy expressions that construct the constitutive law are equated in the form of total strain energy and the distortion energy dissipated in a fatigue cycle. The resulting equation is further evaluated to acquire the equivalent stress per cycle using energy based methodologies. The equivalent stress expressions are developed both for biaxial and multiaxial fatigue loads and are used to predict the number of cycles to failure based on previously developed prediction criterion. The equivalent stress expressions developed in this study are further used in a new finite element procedure to predict the fatigue life for two and three dimensional structures. In the second part of this study, a new Quadrilateral fatigue finite element is developed through integration of constitutive law into minimum potential energy formulation. This new QUAD-4 element is capable of simulating biaxial fatigue problems. The final output of this finite element analysis both using equivalent stress approach and using the new QUAD-4 fatigue element, is in the form of number of cycles to failure for each element on a scale in ascending or descending order. Therefore, the new finite element framework can provide the number of cycles to failure at each location in gas turbine engine structural components. In order to obtain experimental data for comparison, an Al6061-T6 plate is tested using a previously developed vibration based testing framework. The finite element analysis is performed for Al6061-T6 aluminum and the results are compared with experimental results.
The purpose of this experimental study is to investigate the damage mechanism due to shear-fatigue behavior of high-strength reinforced concrete beams under repeated loading. The relationship between the number of cycles and the deflection or strain, the crack growths and modes of failure with the increase of number of cycles, fatigue strength, and S-N curve were observed through a fatigue test. Based on the fatigue test results, high-strength reinforced concrete beams failed at 57-66 percent of static ultimate strength for 2 million cycles. The fatigue strength at 2 million cycles from S-N curves was shown as about 60 percent of static ultimate strength. Compared to normal-strength reinforced concrete beams, fatigue capacity of high-strength reinforced concrete beams was similar to or lower than fatigue capacity of normal-strength reinforced concrete beams. Fatigue capacity of normal-strength reinforced concrete beams improved by over 60 percent.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.16
no.2
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pp.58-67
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2020
This study presents cyclic stress-strain and tensile test results at room temperature (RT) and 316℃ using cold-worked TP304 stainless steel base and weld metals. By comparing the cyclic hardening/softening behavior and failure cycle of cold-worked materials with those of irradiated austenitic stainless steels, the feasibility of simulating the irradiation effect on cyclic deformation and failure behaviors of TP304 stainless steel base and weld metals was investigated. It was found that, in the absence of strain-induced martensite trasformation, cold-working could properly simulate the change in cyclic hardening/softening behavior of TP304 stainless steel base and weld metals due to neutron irradiation. It was also recognized that cold-working could adequately simulate the reduction in failure cycles of TP304 stainless steel base and weld metals due to neutron irradition in the low-cycle fatigue region.
Different versions of a damage index (DI) along with a formulation to find the number of cycles at failure due to fatigue, applicable to reinforced concrete (RC) structures are presented. These are based on an energetic analysis method and applicable to both global and local levels. The required data can be found either from the numerical simulation of structures or from the experimental tests. A computer program has been developed to simulate numerically the nonlinear behavior of RC columns under cyclic loading. The proposed DI gives a regular distribution of structural damages up to failure and is validated by the results of the tests carried out on RC columns subjected to cyclic loading. In general, the local and global damage indices give approximately similar results, while each of them has its own advantages. The advantage of the implicit version of DI is that, it allows the comparison of the results with those of the monotonic loading case, while the explicit version makes it possible to estimate the number of loading cycles at failure due to fatigue, and the advantage of the simplified version is that; the monotonic loading data is not needed for the cyclic loading case.
Henderson, David J.;Ginger, John D.;Morrison, Murray J.;Kopp, Gregory A.
Wind and Structures
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v.12
no.4
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pp.383-400
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2009
Low rise building roofs can be subjected to large fluctuating pressures during a tropical cyclone resulting in fatigue failure of cladding. Following the damage to housing in Tropical Cyclone Tracy in Darwin, Australia, the Darwin Area Building Manual (DABM) cyclic loading test criteria, that loaded the cladding for 10000 cycles oscillating from zero to a permissible stress design pressure, and the Experimental Building Station TR440 test of 10200 load cycles which increased in steps to the permissible stress design pressure, were developed for assessing building elements susceptible to low cycle fatigue failure. Recently the 'Low-High-Low' (L-H-L) cyclic test for metal roofing was introduced into the Building Code of Australia (2007). Following advances in wind tunnel data acquisition and full-scale wind loading simulators, this paper presents a comparison of wind-induced cladding damage, from a "design" cyclone proposed by Jancauskas, et al. (1994), with current test criteria developed by Mahendran (1995). Wind tunnel data were used to generate the external and net pressure time histories on the roof of a low-rise building during the passage of the "design" cyclone. The peak pressures generated at the windward roof corner for a tributary area representative of a cladding fastener are underestimated by the Australian/New Zealand Wind Actions Standard. The "design" cyclone, with increasing and decreasing wind speeds combined with changes in wind direction, generated increasing then decreasing pressures in a manner similar to that specified in the L-H-L test. However, the L-H-L test underestimated the magnitude and number of large load cycles, but overestimated the number of cycles in the mid ranges. Cladding elements subjected to the L-H-L test showed greater fatigue damage than when experiencing a five hour "design" cyclone containing higher peak pressures. It is evident that the increased fatigue damage was due to the L-H-L test having a large number of load cycles cycling from zero load (R=0) in contrast to that produced during the cyclone.
PURPOSE. The aim of this study was to evaluate the effect of multiple firings on the bond strength between yttriatetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP) and 2 types of resin cements. MATERIALS AND METHODS. Sixty 3Y-TZP specimens (LAVA Frame Multi) were divided into 3 groups depending on the following firing procedures: (1) 2-firing cycles, (2) 5-firing cycles, (3) 10-firing cycles. Two samples from each group were investigated by using SEM to determine the morphological changes. All specimens were treated with 125 ㎛ airborne-particle abrasion and the surface roughness of each specimen was measured. The specimens from each firing group were then further divided into 2 subgroups (n = 9) to apply 2 types of resin cement (MDP-free resin cement: RelyX Unicem-RU, and MDP containing resin cement: Panavia F 2.0-PA). The shear bond strength (SBS) test was performed and failure types of all the debonded specimens were classified by using a stereomicroscope as adhesive, cohesive, and mixed. The statistical analysis of surface roughness and SBS data were performed by using 1-way ANOVA and 2-way ANOVA followed by Tukey-HSD tests (α=.05). Failure modes were calculated as a percentage for each group. RESULTS. The bond strength of RU and PA to the specimens obtained with 2 firings were not statistically different from each other (P=.1). However, the SBS values of PA were found to be significantly higher than RU for the specimens obtained with 5 and 10 firing cycles (P=.001 and P=.02, respectively). Surface roughness analysis revealed no statistical difference between groups (P=.2). The SEM analysis of samples fired 5- and 10- times showed irregularities and boundary loss in zirconia grains, and empty spaces between zirconia grains. CONCLUSION. The bond strength of PA cement was higher than that of RU to the zirconia subjected to repeated firings (5 and 10 firing cycles). When zirconia is subjected to multiple firings, using MDP-containing resin cement can be recommended.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1999.10a
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pp.147-152
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1999
Distribution of fracture system is an important factor to analyse instability of jointed rock slope. In the most case of rock slopes, joint distribution properties are related to potential, shape, size and locality of slope failure. The purpose of this paper is to present an application of fracture characterization related to rock slope failure. Fracture data used in this study are collected by scanline survey. Two aspects of fracture characterization for rock slope are handled in this study First, In order to determine the potential and shape of slope failure, trace length of joints is considered as the weighting factor about collected orientation data. Second, Relationship between trace length and spacing is analysed to estimate failure location and size. The distribution of fracture system is directly influenced on wedge failure. It is effective to analyse the orientation of fractures by using weighting factors associated with the trace length of fractures rather than to analyse only that of fractures. It gives a conclusion that the wedge failure occurred along the peak of fracture density(or intensity) cycles.
PURPOSES : This research describes how to predict the life cycles of fatigue cracking based on NCHRP Report 704 as well as modified harmony search (MHS) algorithm. METHODS : The fatigue cracking regression model of NCHRP Report 704 was used in order to calculate the ESAL (Equivalent Single Axle Load) numbers up to pavement failure, based on using material parameters, composite modulus, and surface pavement thickness. Furthermore, the MHS algorithm was implemented to find appropriate material parameters and other structural conditions given the number of ESALs, which is related to pavement service life. RESULTS : The case studies show that the material and structural parameters can be obtained, resulting in satisfying the failure endurance of asphalt concrete structure, given the number of ESALs. For example, the required ESALs such as one or two millions are targeted to satisfy the service performance of asphalt concrete pavements in this study. CONCLUSIONS : According to the case studies, It can be concluded that the MHS algorithm provides a good tool of optimization problems in terms of minimizing the difference between the required service cycles, which is a given value, and the calculated service cycles, which is obtained from the fatigue cracking regression model.
Liyun Tang;Yang Du;Liujun Yang;Xin Wang;Long Jin;Miaomiao Bai
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.5
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pp.663-671
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2023
Freeze-thaw cycles induce strength loss at the frozen soil-concrete interface and deterioration of bonding, which causes construction engineering problems. To clarify the deterioration characteristics of the interface under the freeze-thaw cycle, a frozen soil-concrete sample was used as the research object, an interface scanning electron microscope test under the freeze-thaw cycle was carried out to identify the micro index information, and an interface shear test was carried out to explore the loss law of interface shear strength under the freeze-thaw cycle. The results showed that the integrity of the interface was destroyed, and the pore number and pore size of the interface increased significantly with the number of freeze-thaw cycles. The connection form gradually deteriorates from surface-to-surface contact to point-to-surface contact and point-to-point contact, and the interfacial shear strength decreases the most at 0-3 freeze-thaw cycles, with small decreases from to 3-8 cycles. After 12 freeze-thaw cycles, the interfacial shear strength tends to be stable, and shear the failure occurs internally in the soil.
In this study uniaxial cyclic loading tests were performed on Cheon-Ho Mt. Limestone specimens to investigate the fatigue failure behavior. The loading rate was kept constantly at 760kg/$\textrm{cm}^2$/sec under cyclic loading. In order to reveal the fatigue behavior for each rock type, the test results were mutually compared with previous studies carried out on Indiana Limes-tone and Seong-Ju Sandstone. Fatigue data is presented in the form of S-N curves, which illustrate the relationship of maximum applied stress(S) to the number of cycles(N) required to produce failure. For the purpose of comparing the S-N curves for each rock type, the test data were formulated up to 10$^4$cycles and the correlation coefficients(R) on Cheon-Ho Mt. Limestone and Seong-Ju Sandstone specimen are 0.886 and 0.983, respectively. All three rock specimens were found to have shorter fatigue life at higher applied stress levels. The fatigue life for each rock type was considered as no less than 81.5, 70 and 74.8%, for Cheon-Ho Mt. Limestone, Indiana Limestone and Seong-Ju Sandstone, respectively. The comparison in static strength for monotonic loaded specimens and specimens which did not fail even after 10$^4$cycles indicated that the increasing rate of strength was about 6.18 and 10.96% , for Cheon-Ho Mt. Limestone and Indiana Limestone, respectively. Poisson's ratio and volumetric strain for Cheon-Ho Mt. Limestone and Seong-ju Sandstone, tended in all the cases to rapidly increase at higher stress levels and with an increase in number of cycles. This increasing trend becomes rapid and obvious just before failure. Also Poisson's ratio and volumetric strain for each stress level were compared and analyzed at the first cycle and the cycle prior to failure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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