It is seldom possible that geotechnical materials like rocks and concretes found without joints, cracks, or discontinuities. Thereby, the impact of micro-cracks on the mechanical properties of them is to be considered. In the present study, the effect of micro-crack on the failure mechanism of rock specimens under uniaxial compression was investigated experimentally. For this purpose, thermal stress was used to induce micro-cracks in the specimens. Several cylindrical and disk shape specimens were drilled from granite collected from Zanjan granite mine, Iran. Some of the prepared specimens were kept in room temperature and the others were heated by a laboratory furnace to different temperature levels (200, 400, 600, 800 and 1000 degree Celsius). During the experimental tests, Acoustic Emission (AE) sensors were used to monitor specimen failure at the different loading sequences. Also, Scanning Electron Microscope (SEM) was used to distinguish the induced micro-crack by heating in the specimens. The fractographic analysis revealed that the thin sections heated to $800^{\circ}C$ and $1000^{\circ}C$ contain some induced micro-fractures, but in the thin sections heated to $200^{\circ}C$, $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$ have not been observed any micro-fracture. In the next, a comprehensive experimental investigation was made to evaluate mechanical properties of heated and unheated specimens. Results of experimental tests showed that induced micro-cracks significantly influence on the failure mode of specimens. The specimens kept at room temperature failed in the splitting mode, while the failure mode of specimens heated to $800^{\circ}C$ are shearing and the specimens heated to $1000^{\circ}C$ failed in the spalling mode. On the basis of AE monitoring, it is found that with increasing of the micro-crack density, the ratio of the number of shear cracks to the number of tensile cracks increases, under loading sequences.
The biaxial failure mechanism of transversally bedding concrete layers was numerically simulated using a sophisticated two-dimensional discrete element method (DEM) implemented in the particle flow code (PFC2D). This numerical modelling code was first calibrated by uniaxial compression and Brazilian testing results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 rectangular models with dimension of $54mm{\times}108mm$ were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness were chosen in models, i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that in all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be noted that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.
Behinaein, Pegah;Cotsovos, Demetrios M.;Abbas, Ali A.
Computers and Concrete
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v.22
no.3
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pp.337-353
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2018
The present study focuses on examining the structural behaviour of steel-fibre-reinforced concrete (SFRC) beams under high rates of loading largely associated with impact problems. Fibres are added to the concrete mix to enhance ductility and energy absorption, which is important for impact-resistant design. A simple, yet practical non-linear finite-element analysis (NLFEA) model was used in the present study. Experimental static and impact tests were also carried out on beams spanning 1.3 meter with weights dropped from heights of 1.5 m and 2.5 m, respectively. The numerical model realistically describes the fully-brittle tensile behaviour of plain concrete as well as the contribution of steel fibres to the post-cracking response (the latter was allowed for by conveniently adjusting the constitutive relations for plain concrete, mainly in uniaxial tension). Suitable material relations (describing compression, tension and shear) were selected for SFRC and incorporated into ABAQUS software Brittle Cracking concrete model. A more complex model (i.e., the Damaged Plasticity concrete model in ABAQUS) was also considered and it was found that the seemingly simple (but fundamental) Brittle Cracking model yielded reliable results. Published data obtained from drop-weight experimental tests on RC and SFRC beams indicates that there is an increase in the maximum load recorded (compared to the corresponding static one) and a reduction in the portion of the beam span reacting to the impact load. However, there is considerable scatter and the specimens were often tested to complete destruction and thus yielding post-failure characteristics of little design value and making it difficult to pinpoint the actual load-carrying capacity and identify the associated true ultimate limit state (ULS). To address this, dynamic NLFEA was employed and the impact load applied was reduced gradually and applied in pulses to pinpoint the actual failure point. Different case studies were considered covering impact loading responses at both the material and structural levels as well as comparisons between RC and SFRC specimens. Steel fibres were found to increase the load-carrying capacity and deformability by offering better control over the cracking process concrete undergoes and allowing the impact energy to be absorbed more effectively compared to conventional RC members. This is useful for impact-resistant design of SFRC beams.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.30
no.5
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pp.471-478
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2010
Thin films play an important role in many technological applications including microelectronic devices, magnetic storage media, MEMS and surface coatings. It is well known that a thin film's material properties can be very different from the corresponding bulk properties and thus there has been a strong need for the development of a reliable test method to measure the mechanical properties of a thin film. We have developed an alternative and convenient test method to overcome the limitations of previous membrane deflection experiment and uniaxial tensile test by adopting a white light interferometer having sub-nanometer out-of-plane displacement resolution. The freestanding aluminium specimens are tested to verity the effectiveness of the test method developed and get the tensile properties. The specimens are 0.5 rum wide, $1{\mu}m$ thick and fabricated through MEMS processes including sputtering. 1 to 5 specimens are fabricated on Si dies. The membrane deflection experiments are carried out by using a homemade tester consisted of a motor-driven loading tip, a load cell, and 6 DOF alignment stages. The test system is compact enough to set it up beneath a commercial white light interferometric microscope. The white light fringes are utilized to align a specimen with the tester. The Young's modulus and yield point stress of the aluminium film are 62 GPa and 247 MPa, respectively.
Present investigation shows the analysis results for ceramic reinforced metal matrix composite under uniaxial transverse tensile loading. The resulting deformation, the projected damage type, and stress-strain behavior were computed depending on microstructure details such as the type of periodic reinforcement array, and the type of interface bonding. A two-dimensional finite element analysis was conducted based on the unit-cell of square, hexagonal, or diagonal periodic away For composite with strong interface bonding, the transverse stress vs. strain curve was generally increased with the increase of the ceramic volume fraction. For the composite with weakly bonded interface, however, the transverse stress vs. strain curve was reduced against the ceramic volume fraction. The decrease was caused by the interface debonding-induced stiffness reduction of the composite. For the composite of weakly bonded interface, the relative reduction rate in the final limit stress for hexagonal array was larger than that for square array. Outcome of the present study was compared favorably with the published literature data.
The first step in improving our understanding of uncertainties suclt as rock mass strength parameters and deformation modulus in rock masses around high-level radioactive waste disposal repositories, for improved safety, is to study the process of crack development in intact rock. Therefore, in this study, the fracture process and crack development were examined in samples of KURT granite taken from the KAERI Underground Research Tunnel (KURT), based on acoustic emission (AE) and moment tensor analysis. The results show that crack initiation, coalescence, and unstable crack occurred at rock uniaxial compressive strengths of 0.45, 0.73, and 0.84, respectively. In addition, moment tensor analysis indicated that during the early stage of loading, tensile cracks were predominant. With increasing applied stress, the number of shear cracks gradually increased. When the applied stress exceeded the stress level required for crack damage, unstable shear cracks which directly result in failure of the rock were generated along the failure plane.
A combination of the instrumented indentation and 3D morphology measurement has been tried in order to perform a real-time property measurement of degraded materials in gas pipelines; three-dimensional indent morphologies were recorded using a reflective laser scanner after a series of insturmented indentations on three metallic specimens. Dimensions of the permanent deformation zone and contact boundary were analyzed from the cross-sectional profile over an remnant indent and used for estimating yield strength and hardness, respectively. Estimated yield strength was comparable with that from uniaxial tensile test and actual hardness implying material pile-up effects was lower than the calculated value from indentation curve by $20{\sim}30%$. It means that this 3D image analysis can explain the material pile-up effects on the contact properties. Additionally, a combined system of indentation and laser sensor was newly designed by modifying a shape of the indentation loading fixture.
Abrasiveness of rock plays an important role on the wear of rock cutting tools. In this study, Cerchar abrasiveness tests were carried out to assess the abrasiveness of 19 different Korean rocks. Cerchar abrasiveness test is widely used to assess the abrasiveness of rock because of its simplicity and inexpensive cost. This study examines the relationship between Cerchar Abrasiveness Index (CAI) and mechanical properties (uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, Young's modulus, Poisson's ratio, porosity, shore hardness of rock), and the effect of quartz content, equivalent quartz content, which was obtained from XRD analysis. As a result of test, CAI was more influenced by petrographical properties than by the bonding strength of the matrix material of rock. CAI prediction model which consisted of UCS and EQC was proposed. CAI decreased linearly with the hardness of the steel pin. Numerical analysis was performed using Autodyn-3D for simulating the Cerchar abrasiveness test. In the simulations, most of pin wear occurred during the initial scratching distance, and CAI increased with the increase of normal loading.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.29
no.2
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pp.59-64
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2022
Effects of film stack structure and peeling rate on the peel strength of screen-printed (SP) Ag/polyimide (PI) systems were investigated by a 90° peel test. When PI film was peeled at PI/SP-Ag and PI/SP-Ag/electroplated (EP) Cu structures, the peel strength was nearly constant regardless of the peeling rate. When EP Cu was peeled at EP Cu/SP-Ag/PI structure, the peel strength continuously increased as peeling rate increased. Considering uniaxial tensile test results of EP Cu/SP-Ag film with respect to loading rate, the increase of 90° plastic bending energy and peel strength was attributed to increased flow stress and toughness. On the other hand, viscoelastic PI film showed little variation of flow stress and toughness with respect to loading rate, which was assumed to result in nearly constant 90° plastic bending energy and peel strength.
Ji-Won Kim;Chang-Ho Hong;Jin-Seop Kim;Sinhang Kang
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.3
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pp.191-208
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2024
In this study, a hydro-mechanical-damage coupled analysis model was developed to evaluate the structural safety of radioactive waste disposal structures. The Mazars damage model, widely used to model the fracture behavior of brittle materials such as rocks or concrete, was coupled with conventional hydro-mechanical analysis and the developed model was verified via theoretical solutions from literature. To derive the numerical input values for damage-coupled analysis, uniaxial compressive strength and Brazilian tensile strength tests were performed on concrete samples made using the mix ratio of the disposal concrete silo cured under dry and saturated conditions. The input factors derived from the laboratory-scale experiments were applied to a two-dimensional finite element model of the concrete silos at the Wolseong Nuclear Environmental Management Center in Gyeongju and numerical analysis was conducted to analyze the effects of damage consideration, analysis technique, and waste loading conditions. The hydro-mechanical-damage coupled model developed in this study will be applied to the long-term behavior and stability analysis of deep geological repositories for high-level radioactive waste disposal.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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