Superior to traditional welded studs, high strength friction-grip bolted shear connectors facilitate the assembling and demounting of the composite members, which maximizes the potential for efficiency in the construction and retrofitting of new and old structures respectively. Hence, it is necessary to investigate the structural properties of high strength friction-grip bolts used in steel concrete composite beams. By means of push-out tests, an experimental study was conducted on post-installed high strength friction-grip bolts, considering the effects of different bolt size, concrete strength, bolt tensile strength and bolt pretension. The test results showed that bolt shear fracture was the dominant failure mode of all specimens. Based on the load-slip curves, uplifting curves and bolt tensile force curves between the precast concrete slab and steel beam obtained by push-out tests, the anti-slip performance of steel-concrete interface and shear behavior of bolt shank were studied, including the quantitative analysis of anti-slip load, and anti-slip stiffness, frictional coefficient, shear stiffness of bolt shank and ultimate shear capacity. Meanwhile, the interfacial anti-slip stiffness and shear stiffness of bolt shank were defined reasonably. In addition, a total of 56 push-out finite element models verified by the experimental results were also developed, and used to conduct parametric analyses for investigating the shear behavior of high-strength bolted shear connectors in steel-concrete composite beams. Finally, on ground of the test results and finite element simulation analysis, a new design formula for predicting shear capacity was proposed by nonlinear fitting, considering the bolt diameter, concrete strength and bolt tensile strength. Comparison of the calculated value from proposed formula and test results given in the relevant references indicated that the proposed formulas can give a reasonable prediction.
In this study, TiB2-steel composite with high-fractional TiB2 reinforcement was fabricated by gas pressure infiltration process and the microstructure analysis and compressive strength and hardness were evaluated. To elucidate the correlation between microstructure and mechanical properties for fabricated composite, after the compression test of TiB2-steel composite, the fracture surface was analyzed and the fracture behavior on compression test was predicted. As a result of the compression fracture surface analysis, interfacial failure trace between the steel matrix and the reinforcement was observed, and the interface between the steel matrix and the reinforcement was analyzed using TEM. From the result of microstructure analysis on the fabricated composite, it was confirmed that, in addition to TiB2 reinforcement and steel matrix, TiC phase and coarse (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase were formed. Throughout the thermodynamic calculation, it was confirmed that TiC and (Fe,M)2B can be formed as a stable phase under the process condition. The fabricated TiB2-steel composite had a significantly increased hardness, and the compressive strength and Young's modulus were improved by 3.07 times and 1.95 times, respectively, compared to steel matrix. It seems that the coarse (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase formed throughout the composite causes the deterioration of mechanical properties, and by controlling the formation of the (Fe,M)2B (M=Cr,Mn) phase, it is judged that the mechanical properties of the TiB2-steel composite can be further improved.
Kim, Yun-Yong;Kim, Jeong-Su;Ha, Gee-Joo;Kim, Jin-Keun
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.18
no.1
s.91
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pp.21-28
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2006
This paper presents both experimental and analytical studies for the development of an ECC(Engineered Cementitious Composites) using ground granulated blast furnace slag(slag). This material has been focused on achieving moderately high composite strength while maintaining high ductility, represented by strain-hardening behavior in uniaxial tension. In the material development, micromechanics was adopted to properly select optimized range of the composition based on steady-state cracking theory and experimental studies on matrix, and interfacial properties. A single fiber pullout test and a wedge splitting test were employed to measure the bond properties of the fiber in a matrix and the fracture toughness of mortar matrix. The addition of the slag resulted in slight increases in the frictional bond strength and the fracture toughness. Subsequent direct tensile tests demonstrate that the fiber reinforced mortar exhibited high ductile uniaxial tension behavior with a maximum strain capacity of 3.6%. Both ductility and tensile strength(~5.3 MPa) of the composite produced with slag were measured to be significantly higher than those of the composite without slag. The slag particles contribute to improving matrix strength and fiber dispersion, which is incorporated with enhanced workability attributed to the oxidized grain surface. This result suggests that, within the limited slag dosage employed in the present study, the contribution of slag particles to the workability overwhelms the side-effect of decreased potential of saturated multiple cracking.
Through the use of finite element analysis and acoustic emission techniques we have evaluated the interfacial failure of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) repair patch on a notched aluminum substrate. The repair of cracks is a very common and widely used practice in the aeronautics field to extend the life of cracked sheet metal panels. The process consists of adhesively bonding a patch that encompasses the notched site to provide additional strength, thereby increasing life and avoiding costly replacements. The mechanical strength of the bonded joint relies mainly on the bonding of the adhesive to the plate and patch stiffness. Stress concentrations at crack tips promote disbonding of the composite patch from the substrate, consequently reducing the bonded area, which makes this a critical aspect of repair effectiveness. In this paper we examine patch disbonding by calculating the influence of notch tip stress on disbond area and verify computational results with acoustic emission (AE) measurements obtained from specimens subjected to uniaxial tension. The FE results showed that disbonding first occurs between the patch and the substrate close to free edge of the patch followed by failure around the tip of the notch, both highest stress regions. Experimental results revealed that cement adhesion at the aluminum interface was the limiting factor in patch performance. The patch did not appear to strengthen the aluminum substrate when measured by stress-strain due to early stage disbonding. Analysis of the AE signals provided insight to the disbond locations and progression at the metal-adhesive interface. Crack growth from the notch in the aluminum was not observed until the stress reached a critical level, an instant before final fracture, which was unaffected by the patch due to early stage disbonding. The FE model was further utilized to study the effects of patch fiber orientation and increased adhesive strength. The model revealed that the effectiveness of patch repairs is strongly dependent upon the combined interactions of adhesive bond strength and fiber orientation.
Commonly-used polymers are manufactured as versatile forms. Furthermore, continuous polymer fibers are recently manufactured using nylon or aramid fiber. One of common epoxy was also used to make polymer fibers. Bisphenol-A type was used as base epoxy whereas amine and anhydride were used as hardeners. Epoxy fibers was cured by stepping up the temperature to maintain the shape of epoxy fiber. Surface energy was measured to confirm the degree of interfacial adhesion by modified static contact angle method. After mechanical properties were measured via fiber tensile test, the evaluation of fiber fracture was proceeded. Tensile strength of epoxy fiber using amine type hardener was higher as 138 MPa than anhydride case as 70 MPa. Fractured surface exhibited different failure patterns at the cross-section.
Nancomposites manufacture has been developed rapidly, because of reinforcing effects of CNT in terms of mechanical, electrical and thermal properties. In this study, 10 wt% CNT paste was fabricated with good dispersion state and easy processability. Damage sensing and reinforcing effect of CNT paste were investigated in nanocomposites. 10 wt% CNT paste exhibited better tensile and flexural properties than those of general 1 wt% CNT nanocomposites. To observe the healing effect of CNT paste, a crack was made artificially with 30wt% CF30wt%/PP composites, and the CNT paste was filled inside the crack. The damage sensing of CNT paste in CF30wt%/PP composites was investigated by electrical resistance measurement and mechanical tests. CNT paste exhibited good reinforcing effect in mechanical properties of CF30wt%/PP composites, and this reinforcing effect was getting better with larger cracks. The reason was because CNT paste had good interfacial adhesion with CF30wt%/PP composites to resist crack propagation. In electrical resistance measurement, there was a jump in electrical resistance signal at the adhesion interface. The jumping signal could be used to predict fracture of CF/PP composites. CNT nanocomposites for damage sensing had crack reducing effect and damage detection using electrical resistance method.
PA66/EPDM/PP-g-MA and PA66/EPDM-g-MA/PP-g-MA composites were manufactured by a modular intermeshing twin screw extruder for enhanced low temperature impact resistance with different content of PP-g-MA. The results showed that composite containing 90 wt% of PA66, 8 wt% of EPDM-g-MA, and 2 wt% of PP-g-MA has a optimum value in the thermal and mechanical properties. The characteristics of the composites were analyzed by TGA, DSC, and SEM. From above results, we established that the low interfacial strength and the impact resistance at low temperature shown in a pre-existing PP/EPDM composite were enhanced by grafting with compatibilizer such as maleic anhydride. These results show the possibility of local manufacturing process and cost down with optimum screw configuration for best mixing quality in the twin screw extruder.
Park, Sung-Gye;Lee, Seung-Hae;Kim, Ji-Soon;You, Hee;Yum, Young-Jin
Korean Journal of Materials Research
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v.9
no.10
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pp.962-969
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1999
Elastic and elasto-plastic stress analyses of AlN/Cu and AlN/W pints produced by active-metal brazing method using Ag-Cu-Ti insert-metal were performed with use of Finite-Element-Method(FEM). The results of stress analyses were compared with those from the pint strength tests and the observations of fracture behaviors. It was shown that a remarkably larger maximum principal stress is built in the AlN/Cu pint compared to the A1N/ W joint. Especially, the stress concentration with tensile component was confirmed at the free surface close to the bonded interface of AlN/Cu. The elasto-plastic analysis under consideration of stress relaxation effect of Ag-Cu-Ti insert possessing a so-called 'soft-metal effect' showed that the insert leads to a lowering of maximum principal stress in AlNiCu pint, even though an increase of the insert thickness above 100$\mu\textrm{m}$ could not bring its further decrease. The maximum pint strengths measured by shear test were 52 and 108 MPa for AlNiCu and AlN/W pints. respectively. Typical fractures of AlN/Cu pints occurred in a form of 'dome' which initiated from the free surface of AlN close to the bonded interface and proceeded towards the AlN inside forming a large angle. AlN/W pints were usually fractured at AlN side along the interface of AlN/insert-metal.
Park, Sung-Gye;Kim, Ji-Soon;You, Hee;Yum, Young-Jin;Kwon, Young-Soon
Korean Journal of Materials Research
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v.9
no.10
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pp.970-977
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1999
Effect of Mo interlayer on the relaxation of residual stress in AlN/Cu pint bonded by active-metal brazing method was investigated. The stress analyses by finite-element-method, the measurement of pint strength and the observation of fracture surface were carried out and their results were compared with each other. From the results of stress analysis it is confirmed that a Mo interlayer led to a shift of maximum stress concentration site from AlN/insert-metal interface$\rightarro$ insert-metal/Mo$\rightarro$Mo interlayer. Additionally, with increase of the Mo interlayer thickness the stress concentration with tensile component was separately built both at the interface of Cu/Mo and AlN/Mo. whereby the residual stress in the free surface of AlN close to the bonded interface was drastically reduced. The AlN/Mo/Cu pints with Mo interlayer thickness of above 400$\mu\textrm{m}$ showed the strengths higher than 200 MPa. upto max. 275 MPa, while the AlN/Cu pint only max. 52 MPa.
Joining ${Al}_{2}{O}_{3}$ and STS 304 stainless steel by active metal brazing method with using CuI Owt % Ti and Cu -7 .5wt % Zr insert metal, their interfaces were analyzed and strength of the joint brazed with Cu-7.5wt % Zr insert metal also investigated with shear strength testing method. In brazing with Cu-lOwt% Ti insert metal, the single reaction layer was formed by the reaction with Ti and ${Al}_{2}{O}_{3}$ at the interface between ${Al}_{2}{O}_{3}$ and insert metal, but the double reaction layer was found in brazing with Cu-7.5wt % Zr insert metal because of the difference of their wettability on the surface of ${Al}_{2}{O}_{3}$. Fracture shear strength about 86MPa was obtained from ${Al}_{2}{O}_{3}$/Cu-7.5wt% Zr/STS 304 stainless steel joint and reasonable strength of the joints is attributed to the formation of double reaction layer at the interface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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