This paper discussed and analyzed the interfacial stress distribution characteristic of adjacent cracks in Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) plate strengthened concrete slabs. One un-strengthened concrete test beam and four CFRP plate-strengthened concrete test beams were designed to carry out four-point flexural tests. The test data shows that the interfacial shear stress between the interface of CFRP plate and concrete can effectively reduce the crack shrinkage of the tensile concrete and reduces the width of crack. The maximum main crack flexural height in pure bending section of the strengthened specimen is smaller than that of the un-strengthened specimen, the CFRP plate improves the rigidity of specimens without brittle failure. The average ultimate bearing capacity of the CFRP-strengthened specimens was increased by 64.3% compared to that without CFRP-strengthen. This indicites that CFRP enhancement measures can effectively improve the ultimate bearing capacity and delay the occurrence of debonding damage. Based on the derivation of mechanical analysis model, the calculation formula of interfacial shear stress between adjacent cracks is proposed. The distributions characteristics of interfacial shear stress between certain crack widths were given. In the intermediate cracking region of pure bending sections, the length of the interfacial softening near the mid-span cracking position gradually increases as the load increases. The CFRP-concrete interface debonding capacity with the larger adjacent crack spacing is lower than that with the smaller adjacent crack spacing. The theoretical calculation results of interfacial bonding shear stress between adjacent cracks have good agreement with the experimental results. The interfacial debonding failure between adjacent cracks in the intermediate cracking region was mainly caused by the root of the main crack. The larger the spacing between adjacent cracks exists, the easier the interfacial debonding failure occurs.
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.11
no.4
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pp.484-492
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2023
The structural behaviour of concrete beam was examined by the three points bending test after the completion of the electrochemical chloride extraction (ECE), rather than bond strength mostly measured in previous studies. It was found that the flexural rigidity of concrete was lowered by the ECE, but the strength was enhanced in terms of the maximum load.The flexural rigidity, in the linear elastic range, was reduced by the loss of effective cross-section area. In fact, the inertia moment was substantially subjected to 70 % loss of the cross-section by the tensile strain at the condition of the failure. However, a lower rate of the inertia moment reduction was achieved by the ECE, implying the higher resistance to the cracking, but the higher risk of deformation.
Despite the significant features of fiber-reinforced cementitious composites (FRCCs), including better mechanical, fractural, and durability performance, their high content of cement has restricted their use in the construction industry. Although ground granulated blast furnace slag (GGBFS) is considered the main supplementary cementitious material, its slow pozzolanic reaction stands against its application. The addition of nano-sized mineral modifiers, including nano-silica (NS), is an alternative to address the drawbacks of using GGBFS. The main object of this empirical and numerical research is to examine the effect of NS on the strain-hardening behavior of cementitious composites; ten mixes were designed, and five levels of NS were considered. This study proposes a new method, using a four-point bending test to assess the use of nano-silica (NS) on the flexural behavior, first cracking strength, fracture energy, and micromechanical parameters including interfacial friction bond strength and maximum bridging stress. Digital image correlation (DIC) was used for monitoring the initiation and propagation of the cracks. In addition, to attain a deep comprehension of fiber/matrix interaction, scanning electron microscope (SEM) analysis was used. It was discovered that using nano-silica (NS) in cementitious materials results in an enhancement in the matrix toughness, which prevents multiple cracking and, therefore, strain-hardening. In addition, adding NS enhanced the interfacial transition zone between matrix and fiber, leading to a higher interfacial friction bond strength, which helps multiple cracking in the composite due to the hydrophobic nature of polypropylene (PP) fibers. The findings of this research provide insight into finding the optimum percent of NS in which both ductility and high tensile strength of the composites would be satisfied. As a concluding remark, a new criterion is proposed, showing that the optimum value of nano-silica is 2%. The findings and proposed method of this study can facilitate the design and utilization of green cementitious composites in structures.
In this study, a thermomechanical numerical model was developed to evaluate the stability of energy slabs. First, a wall-type energy slab was installed in a residential underground parking lot, and thermal performance tests were conducted. Based on the tests, a numerical thermohydraulics model of the energy slab was developed to accurately simulate the thermal behavior in thermal performance tests. Finally, utilizing the temperature data acquired using the developed model, a thermomechanical numerical model of the energy slab was established. The thermomechanical model was then used to simulate the thermal stresses induced by operating the energy slab. The results demonstrated a maximum thermal stress of 5,300 kPa, which highlights the need to utilize cement mortar with sufficient tensile strength to realize stable operation of the energy slab.
Jong-Won Lee;Eui-Seob Park;Junhyung Choi;Tae-Min Oh;Min-Jun Kim
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.5
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pp.511-525
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2024
Underground openings significantly affect the mechanical stability of underground spaces and create damaged zones. This study investigated the acoustic emission (AE) characteristics associated with the formation of damaged zones around circular openings. Uniaxial compression experiments were conducted on three types of rock specimens, namely, granite (GN-1 and GN-2), gabbro (GB), and slate (SL), containing a circular opening. AE and digital image correlation (DIC) techniques were used to monitor and evaluate the damaged zones near the circular openings. The AE characteristics were evaluated using AE parameters, including count, energy, amplitude, average frequency, and RA value. The DIC results revealed that the estimated diameters of the damaged zones of GN-1, GN-2, GB, and SL were 1.66D, 1.53D, 1.49D, and 1.9D, respectively. The average displacements at the surface of the damaged zones for these specimens were 0.814, 0.786, 0.661, and 0.673 mm, respectively, thus demonstrating a strong correlation with Young's modulus. The AE analysis with DIC revealed that tensile failure occurred in the direction parallel to the maximum compression axis as the load increased. Thus, this study provides fundamental data for a comprehensive analysis of damaged zones in underground openings and will facilitate the optimization of rock engineering projects and safety assessments thereof.
Soft bending actuators have gained significant interest in robotic applications due to their compliance and lightweight nature. Their compliance allows for safer and more natural interactions with humans or other objects, reducing the risk of injury or damage. However, the nonlinear behaviour of soft actuators presents challenges in accurately predicting their bending motion and force exertion. In this research, a new comprehensive study has been conducted by employing a developed 3D finite element model (FEM) to investigate the effect of geometrical and material parameters on the bending behaviour of a soft pneumatic actuator reinforced with Kevlar fibres. A series of experiments are designed to validate the FE model, and the FE model investigates the improvement of actuator performance. The material used for fabricating the actuator is RTV-2 silicone rubber. In this study, the Cauchy stress was expanded for hyperelastic models and the best model to express the stress-strain behaviour based on ASTM D412 Type C tensile test for this material has been obtained. The results show that the greatest bending angle was achieved for the semi-elliptical actuator made of RTV2 material with a pitch of 1.5 mm and second layer thickness of 1 mm. In comparison, the maximum response force was obtained for the semi-elliptical actuator made of RTV2 material with a pitch of 6 mm and a second layer thickness of 2 mm. Additionally, this research opens up new possibilities for development of safer and more efficient robotic systems that can interact seamlessly with humans and their environment.
Objective: To evaluate tooth displacement and periodontal stress generated by the dual action vertical intra-arch technique (DAVIT) for open-bite correction using three-dimensional finite element analysis. Methods: A three-dimensional model of the maxilla was created by modeling the cortical bone, cancellous bone, periodontal ligament, and teeth from the second molar to the central incisor of a hemiarch. All orthodontic devices were designed using specific software to reproduce their morpho-dimensional characteristics, and their physical properties were determined using Young's modulus and Poisson's coefficient of each material. A linear static simulation was performed to analyze the tooth displacements (mm) and maximum stresses (Mpa) induced in the periodontal ligament by the posterior intrusion and anterior extrusion forces generated by the DAVIT. Results: The first and second molars showed the greatest intrusion, whereas the canines and lateral incisors showed the greatest extrusion displacement. A neutral zone of displacement corresponding to the fulcrum of occlusal plane rotation was observed in the premolar region. Buccal tipping of the molars and lingual tipping of the anterior teeth occurred with intrusion and extrusion, respectively. Posterior intrusion generated compressive stress at the apex of the buccal roots and furcation of the molars, while anterior extrusion generated tensile stress at the apex and apical third of the palatal root surface of the incisors and canines. Conclusions: DAVIT mechanics produced a set of beneficial effects for open-bite correction, including molar intrusion, extrusion and palatal tipping of the anterior teeth, and occlusal plane rotation with posterior teeth uprighting.
A flat slab is a structural system where columns directly support it without the presence of beam elements. However, despite its wide advantages, this structural system undergoes a major deficiency where stresses are concentrated around the column perimeter, resulting in the progressive collapse of the entire structure as a result of losing the shear transfer mechanisms at the cracked interface. Predicting the punching shear capacity of RC flat slabs is a challenging problem where the factors contributing to the overall slab strength vary broadly in their significance and effect extent. This study proposed a new expression for predicting the slab's capacity in punching shear using a nonuniform concrete tensile stress distribution assumption to capture, as well as possible, the induced strain effect within a thick RC flat slab. Therefore, the overall punching shear capacity is composed of three parts: concrete, aggregate interlock, and dowel action contributions. The factor of the shear span-to-depth ratio (a_v/d) was introduced in the concrete contribution in addition to the aggregate interlock part using the maximum aggregate size. Other significant factors were considered, including the concrete type, concrete grade, size factor, and the flexural reinforcement dowel action. The efficiency of the proposed model was examined using 86 points of published experimental data from 19 studies and compared with five code standards (ACI318, EC2, MC2010, CSA A23.3, and JSCE). The obtained results revealed the efficiency and accuracy of the model prediction, where a covariance value of 4.95% was found, compared to (13.67, 14.05, 15.83, 19.67, and 20.45) % for the (ACI318, CSA A23.3, MC2010, EC2, and JSCE), respectively.
The sedimentation characteristics of ceramic fiber were analyzed when viscosity of the slurry for ceramic paper formation was varied and zeta potential change and degree of dispersion with pH were studied as well. The proper viscosity of the slurry for dispersion of fibers was between 28 and 31 cps. Zeta potential of the slurry was sensitively changed with pH adjustment and showed maximum value of -35~-36 mV at ph 7.5~9.5, which indicated better dispersion of ceramic fiber as zeta potential of the slurry was increased. The sedimentation rate of ceramic fiber in a slurry was reported minimum at the maximum zeta potential. Water content of the casted paper should be lower than 83% after vacuum dehydration for retention of binder and lower than 62% after press rolling for wet paper handling. The obtained ceramic paper had tensile strength and basis weight, $102 kgf/cm^2$ and $98 g/m^2$, respectively.
Utilizing Mechanical Alloy Process, that were obt,ained the results from investigated formation process of AC4A/$SiC_p$. composite material powders and mechanical properties of their extrusion materials. The obtained results are as follow conclusions. AC4A-lOwt.% $SiC_p$ powders which were mechanically alloyed at 150rpm for 420min have been obtained finely and uniformly rounded powder particals that were reached the steady state which was saturated micro hardness about tlv 230 in the range size of 1 0 ~ 2 0$\mu \textrm{m}$. EDAX analysis tests have been resulted in a little amount of I'e conrents increasing with MA times, the artifical aging of AC4A/S$SiC_p$ composite materials was obtained the hardness with solution treated at $525^{\circ}C$ for lOhrs the maximum value of Hv 230 with aging at. $170^{\circ}C$ for 1000min. The Intensity and width of X-ray diffraction pattern were decreasing and widening because of grain boundary refinement and heterogeneous strain during mechanical alloying. Tensile tests at room temperature were carried out the maximum value of 37 Kgf/$\mu \textrm{mm}^2$ with ext,rused materials, 27 Kgf/$\mu \textrm{mm}^2$ with heat treated them at $500^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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