Not all loads contribute to fatigue crack propagation in the welded detail of steel bridges when they are subjected to variable amplitude loading. For fatigue assessment, therefore, non-contributing stress cycles should be truncated. However, stress range truncation is not considered during typical fatigue reliability assessment. When applying the first order reliability method, stress range truncation occurs mismatch between the expected number of cycles to failure and the number of cycles obtained at the time of evaluation, because the expected number of cycles only counts the stress cycles that contribute to fatigue crack growth. Herein, we introduce a calibration factor to coordinate the expected number of cycles to failure to the equivalent value which includes both contributing and non-contributing stress cycles. The effectiveness of stress range truncation and the proposed calibration factor was validated via case studies.
In this paper, an experimental investigation of the mechanical behavior and buckling failure of sharp-notched circular tubes subjected to cyclic bending is discussed. The unnotched and sharp-notched circular tubes of SUS 304 stainless steel were tested under symmetric curvature-controlled cyclic bending. It was found from moment-curvature curves that the loops show cyclic hardening and gradually steady after a few cycles for all tested tubes. The ovalization-curvature curves show an unsymmetric, ratcheting and increasing manner with the number of cycles. In addition, it was found that six almost parallel lines corresponding to unnotched and five different notch-depth (0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 mm) tubes were noted from the experimental relationship between the cyclic controlled curvature and the number of cycles necessary to produce buckling on a log-log scale. An empirical formulation was proposed so that it could be used for simulating the aforementioned relationship. By comparing with the experimental finding, the simulation was in good agreement with the experimental data.
The purpose of this study was to propose useful suggestion by analyzing preventive replacement policy under which there are minor and major failure. Here, major failure is defined as the failure of system which causes the system to stop working, however, the minor failure is defined as the situation in which the system is working but there exists inconvenience for the user to experience the degradation of performance. For this purpose, we formulated an expected cost rate as a function of periodic replacement time and the number of system update cycles. Then, using the probability and differentiation theory, we analyzed the cost rate function to find the optimal points for periodic replacement time and the number of system update cycles. Also, we present a numerical example to show how to apply our model to the real and practical situation in which even under the minor failure, the user of system is not willing to replace or repair the system immediately, instead he/she is willing to defer the repair or replacement until the periodic or preventive replacement time. Optimal preventive replacement timing using two variables, which are periodic replacement time and the number of system update cycles, is provided and the effects of those variables on the cost are analyzed.
The crack widths of reinforced concrete flexural members are influenced by repetitive fatigue loadings. The bond stress-slip relation is necessary to estimate these crack widths realistically. The purpose of the present study is, therefore, to propose a realistic model for bond stress-slip relation under repeated loading. To this end, several series of tests were conducted to explore the bond-slip behavior under repeated loadings. Three different bond stress levels with various number of load cycles were considered in the tests. The present tests indicate that the bond strength and the slip at peak bond stress are not influenced much by repeated loading if bond failure does not occur. However, the values of loaded slip and residual slip increase with the increase of load cycles. The bond stress after repeated loading approaches the ultimate bond stress under monotonic loading and the increase of bond stress after repeated loading becomes sharper as the number of repeated loads increases. The bond stress-slip relation after repeated loading was derived as a function of residual slip, bond stress level, and the number of load cycles. The models for slip and residual slip were also derived from the present test data. The number of cycles to bond slip failure was derived on the basis of safe fatigue criterion, i.e. maximum slip criterion at ultimate bond stress.
This study was conducted to investigate the residual bearing capacity of steel-concrete composite beams under high-cycle fatigue loading through experiments and theoretical analysis. Six test beams with stud connectors were designed and fabricated for static, complete fatigue, and partial fatigue tests. The failure modes and the degradation of several mechanical performance indicators of the composite beams under high-cycle fatigue loading were analyzed. A calculation method for the residual bearing capacity of the composite beams after certain quantities of cyclic loading cycles was established by introducing nonlinear fatigue damage models for concrete, steel beam, and shear connectors beginning with the material residual strength attenuation process. The results show that the failure mode of the composite beams under the given fatigue load appears to be primarily affected by the number of cycles. As the number of fatigue loadings increases, the failure mode transforms from mid-span concrete crushing to stud cutting. The bearing capacity of a 3.0-m span composite beam after two million fatigue cycles is degraded by 30.7% due to premature failure of the stud. The calculated values of the residual bearing capacity method of the composite beam established in this paper agree well with the test values, which indicates that the model is feasibly applicable.
Acoustic emission (AE) sensor was used to evaluate the wear-life of CrN-coated steel disks with 1 $\mu\textrm{m}$ and 4 $\mu\textrm{m}$ coating thickness. The relationship between Af and friction signal from scratch test and sliding test was investigated. The first spatting of CrN film was detected by AR signals in the early stage of coating failures, and overall failures by friction signals. Therefore, the conservative design for coating-life should be done using the results of AE signals. Using the percent contact load, the ratio of sliding normal load to the critical scratch load and the number of cycles to failure was measured to predict the wear-life of CrN film. On the wear-life dia-gram the percent contact loads and the number of cycles to failure showed a good linear relationship on the log coordinate. As the load percentage was decreased, the diagram showed that the wear-limits, at which the coated steels survived more than 35,000 cycles, were about 4∼5% of the critical scratch loads.
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.
Two full-scale, precast, pretensioned box girders were subjected to shear-dominated loading, one under monotonic loads to failure and the other subjected to one-half million cycles of fatigue loads followed by monotonic ultimate loads. The number of cycles was selected to allow for comparison with previous research. The fatigue loads were applied in combination with occasional overloads. In the present study, fatigue loading reduced the shear capacity by only six percent compared to the capacity under monotonic loading. However, previous research on flexure-dominated girders subjected to the same number of repeated loads showed that fatigue loading changed the mode of failure from flexure to shear/flexure and the girder capacity dropped by 14 percent. The comparison of the measured data with calculated shear capacity from five different theoretical methods showed that the ACI code method, the compression field theory, and the modified compression field theory led to reasonable estimates of the shear strength. The truss model led to an overly conservative estimate of the capacity.
Effects of top coat morphology and thickness on thermal fatigue behavior of thermal barrier coatings (TBC) were investigated in this study. Thermal fatigue tests were conducted on three coating specimens with different top coat morphology and thickness, and then the test data were compared via microstructures, cycles to failure, and fracture surfaces. In the air plasma spray specimens (APS1, APS2), top coat were 200 and $300{\mu}m$ respectively. The thickness of top coat was about $700{\mu}m$ in the perpendicular cracked specimen (PCS). Under thermal fatigue condition at $1,100^{\circ}C$, the cycles to top coat failure of APS1, APS2, and PCS were 350, 560 and 480 cycles, respectively. The cracks were initiated at the interface of top coat and thermally grown oxide (TGO) and propagated into TGO or top coat as the number of thermal fatigue cycles increased. For the PCS specimen, additive cracks were initiated and propagated at the starting points of perpendicular cracks in the top coat. Also, the thickness of TGO and the decrease of aluminium concentration in bond coat do not affect the cycles to failure.
Tarar, Wasim;Herman Shen, M.H.;George, Tommy;Cross, Charles
Structural Engineering and Mechanics
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제35권5호
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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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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