Plate bonding technique has been widely used in strengthening of existing concrete structures, although it has often a serious problem of premature falure such as interface separation and rip-off. However, this premature failure problem has not been well explored yet especially in view of local failure mechanism around the interface of plate ends. The purpose of the present study is, therefore, to identify the local failure of strengthened plates and to derive a separation criterion at the interface of plates. To this end, a comprehensive experimental program has been set up. The double lap pull-out tests considering pure shear force and half beam tests considering combined flexure-shear force were performed. The main experimental parameters include plate thickness, adhesive thickness, and plate end arrangement. The strains along the longitudinal direction of steel plates have been measured and the shear stress were calculated from those measures strains. The effects of plate thickness, bonded length, and plate end treatment have been also clarified from the present test results. Nonlinear finite element analysis has been performed and compared with test results. The Interface properties are also modeled to present the separation failure behavior of strengthened members. The cracking patterns as well as maximum failure loads agree well with test data. The relation between maximum shear and normal stresses at the interface has been derived to propose a separation failure criterion of strengthened members. The present study allows more realistic analysis and design of externally strengthened flexural member with steel plates.
Yaylaci, Murat;Adiyaman, Gokhan;Oner, Erdal;Birinci, Ahmet
Computers and Concrete
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v.27
no.3
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pp.199-210
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2021
The aim of this paper was to examine the continuous and discontinuous contact problems between the functionally graded (FG) layer pressed with a uniformly distributed load and homogeneous half plane using an analytical method and FEM. The FG layer is made of non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layer-half plane interface is frictionless, and only the normal tractions can be transmitted along the contacted regions. The body force of the FG layer is considered in the study. The FG layer was positioned on the homogeneous half plane without any bonds. Thus, if the external load was smaller than a certain critical value, the contact between the FG layer and half plane would be continuous. However, when the external load exceeded the critical value, there was a separation between the FG layer and half plane on the finite region, as discontinuous contact. Therefore, there have been some steps taken in this study. Firstly, an analytical solution for continuous and discontinuous contact cases of the problem has been realized using the theory of elasticity and Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using ANSYS package program based on FEM. Numerical results for initial separation distance and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for continuous contact case; the start and end points of separation and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for discontinuous contact case were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio and load factor for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.6C
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pp.407-419
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2006
Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be possible to achieve the required support in end bearing on the rock only, and assume that no support is developed in the overburden. However, where the drilled shaft is drilled some depth into sound rock, a combination of side wall resistance and end bearing can be assumed. Both theoretical and field studies of the performance of rock socketed drilled shafts show that the major portion of applied load is usually carried in side wall resistance. Normal stress at the rock-concrete interface is induced by two mechanisms. First, application of a compressive load on the top of the pile results in elastic dilation of the concrete, and second, shear displacement at the rough surface of the drilled hole results in mechanical dilation of the interface. If the stiffness of the material surrounding the socket with respect to normal displacement is constant, then the normal stress will increase with increasing applied load, and there will be a corresponding increase in the shear strength. In this study, the numerical analyses are carried out to investigate the behavioral characteristics of side of rock socketed drilled shafts. The cause of non-linear head load-settlement relationship and failure mechanism at side are also investigated properly and the design charts are suggested and verified for the leading to greater efficiency and reliability in the pile design.
The mechanical strengths of buried lamellar tears located near the weld toe in the welded tee joints were evaluated in terms of the loss of load carrying capacity as a function of tear area. In static loading, the load carrying capacity was significantly reduced when tear intercepted over 10% of the cross-sectional area of the welded joints. However, the welded joints containing buried tears still failed at stresses over the yield strength of the base metal in the through-thickness direction in spite of the presence of tears up to 20-25% of the area. Fatigue strength of welded joints containing tears markedly reduced with increasing tear areas. Lehigh lamellar tearing test used in this study to produce speicmens was described in detail. The load carrying cpapacity in static loading was influenced by the reduction of supporting area whereas that in fatigue loading was influenced by the stress-concentration effects of lamellar tears and the reduction of supporting area. In bend tests, the pre-existing lamellar tears always grew up toward the weld toe. However, in fatigue loading, cracks grew up and down simultaneously form both the weld toe and the top of lamellar tears because of stress concentration. In fatigue loading, delaminations and decohesion of inclusion/matrix interface generated in multipass welds provided crack propagation paths and enhanced crack propagation because the tips of delaminations and deconhesios acted as stress raisers.
Panda, Subhransu K;Mishra, Pradeep K;Panda, Subrata K
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.6
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pp.723-735
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2020
This study is reported the adhesion failure in adhesive bonded composite and specifically for the T-joint structure. Three-dimensional finite element analysis has been performed using a commercial tool and the necessary outcomes are obtained via an eight noded solid element (Solid 185-element) from the library of ANSYS. The structural analysis input has been incurred through ANSYS parametric design language (APDL) code. The normal and shear stress distributions along different layers of the joint structure have been evaluated as the final outcomes. Based on the stress distributions, failure location in the composite joint structure has been identified by using the Tsai-Wu stress failure criterion. It has been found that the failure index is maximum at the interface between flange and web part of the joint (top layer) which indicates the probable location of failure initiation. This kind of failures are considered as adhesion failure and the failure propagation is governed by strain energy release rate (SERR) of fracture mechanics. The different adhesion failure lengths are also considered at the failure location to calculate the SERR values i.e. mode I fracture (opening), mode II fracture (sliding) and mode III fracture (tearing) along the failure front. Also, virtual crack closure technique (VCCT) principle of fracture mechanics steps is used to calculate the above said SERRs. It is found that the mode I SERR is more dominating compared to other two modes of failure for the joint considered. Finally, the influences of various parametric (geometrical and material) effect on SERR of the joint structure are evaluated and discussed in details.
Mansour, Walid;Sakr, Mohammed A.;Seleemah, Ayman A.;Tayeh, Bassam A.;Khalifa, Tarek M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.3
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pp.305-316
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2022
Externally bonded ultrahigh performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) is commonly used as a strengthening material for reinforced concrete (RC) structures. This study reports the results of an experimental program investigating the bonding behavior between concrete and prefabricated UHPFRC plates. The overall experimental program is consisting of five RC specimens, which are strengthened using the different lengths and widths of prefabricated UHPFRC plates. These specimens were analyzed using the pull-pull double-shear test. The performance of each strengthened specimen is presented, discussed and compared in terms of failure mode, maximum load, load-slip relationship, fracture energy and strain distribution. Specimen C-25-160-300 which bonded along the whole width of 160 mm recorded the highest maximum load (109.2 kN) among all the analysed specimens. Moreover, a 3D numerical finite element model (FEM) is proposed to simulate the bond behavior between concrete and UHPFRC plates. Moreover, this study reviews the analytical models that can predict the relationship between the maximum bond stress and slip for strengthened concrete elements. The proposed FEM is verified against the experimental program and then used to test 36 RC specimens strengthened with prefabricated UHPFRC plates with different concrete grades and UHPFRC plate widths. The obtained results together with the review of analytical models helped in the formation of a design equation for estimating the bond stress between concrete and prefabricated UHPFRC plates.
In performing seismic analysis of tunnels, it is a common practice to ignore the rock joints and to assume that the rock mass surrounding the tunnel is continuous. The applicability of this assumption has not yet been validated in detail. This study performs a series of pseudo-static discrete element analyses to evaluate the effect of rock joint on the seismic response of tunnels. The parameters considered are joint intersection location, joint spacing, joint stiffness, joint dip, and interface stiffness. The results show that the joint stiffness has the most critical influence on the tunnel response. The tunnel response increases with the spacing, resulting in localized concentration of moment and shear stress. The response of the tunnel is the lowest for joints dipping at $45^{\circ}$. This is because large shear stresses result in rotation of the principal planes by $45^{\circ}$. In summary, the weathered and smooth, vertical or horizontal, and widely spaced joint set will significantly increase the tunnel response under seismic loading. The tunnel linings are shown to be most susceptible to damage due to induced shear stress, and therefore should be checked in the seismic design.
Jo, Cheol-Hyeong;Choe, Jae-Bong;Choe, Gwi-Won;Yun, Gang-Seop;Gang, Seung-Baek
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.20
no.1
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pp.37-44
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1999
Because of bone resorption, wear of ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) in total knee arthroplasty has been recognized as a major factor in long-term failure of knee implant. The surface damage and the following harmful wear debris of UHMWPE is largely related to contact stress. Most of the previous studies focused on the contact condition only at the articulating surface of UHMWPE. Recently, contact stress at the metal-backing interface has been implicated as one of major factors in UHMWPE wear. Therefore, the purpose of the is study is to investigate the effect of the contact stress for different thickness, conformity friction coefficient, and flexion degree of the UHMWPE component in total knee system, considering the contact conditions at both interfaces. In this study, a two-dimensional non-linear plane strain finite element model was developed. The results showed that the maximum value of von-Mises stress occurred below the articulating surface and the contact stress was lower for the more conforming models. All-polyethylene component showed lower stress distribution than the metal-backed component. With increased friction coefficient on the tibiofemoral contact surface, the maximum shear stress increased about twofold.
Journal of the korean academy of Pediatric Dentistry
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v.36
no.3
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pp.427-432
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2009
The aim of this study was to compare the shear-peel strength and the fracture site of 5 commercially available orthodontic band cements. One hundred molar bands were cemented to extracted human 3rd molars. The specimens were prepared in accordance with the manufacturer's instructions for each cement. After storage in a humidor at $37^{\circ}C$ for 24 hours, the shear debonding force was assessed for each specimen using an universal testing machine with crosshead speed of 2 mm/minute. Maximal failure stress was converted to mean shear-peel strength, MPa. The predominant site of band failure was recorded visually for all specimens as either at the band/cement or cement/enamel interface. Mean shear-peel strength of Ormco was the highest(2.44${\pm}$0.57), followed by Fuji $Ortho^{TM}$(2.24${\pm}$0.50), $Ketac-Cem^{TM}$(2.10${\pm}$0.57), 3M $Unitek^{TM}$(1.82${\pm}$0.43), $Band-Lok^{TM}$(1.73${\pm}$0.28). There were statistically significant differences between Ormco and $Band-Lok^{TM}$, Ormco and 3M $Unitek^{TM}$, and Fuji $Ortho^{TM}$ and $Band-Lok^{TM}$(p<0.05). The predominant site of bonding failure for bands cemented with the Ormco was at the band/cement interface, whereas bands cemented with Ultra $Band-Lok^{TM}$ failed predominantly at the enamel/cement interface. There was no significant difference among the other cements(Fuji $Ortho^{TM}$, 3M $Unitek^{TM}$, $Ketac-Cem^{TM}$).
Despite the frequent use of the soil-reinforced segmental retaining wall (SRW) system, the roles of the different components comprising the system, such as facing blocks, reinforcements, backfill, and block/backfill interface, are still not fully understood, and much still need to be investigated for more safe and economical design/analysis method. Therefore, this study was undertaken with the aim of understanding the effect of the shear strength of backfill material and the reinforcement stiffness on the behavior of SRW by using the finite element analysis. In the analysis the details of construction sequence and the SRW components were carefully modeled, and a parametric study was performed in order to investigate the effects of shear strength of backfill soil and reinforcement stiffness on the wall displacement and earth pressure, the vertical stress under the reinforced block, the reinforcement and block/reinforcement connection forces. Implications of the findings from this study to current design practices were discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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