It is well accepted that rock failure mechanism influence the cutting efficiency and determination of optimum cutting parameters. In this paper, an attempt was made to research the factors that affect the failure mechanism based on discrete element method (DEM). The influences of cutting depth, hydrostatic pressure, cutting velocity, back rake angle and joint set on failure mechanism in rock-cutting are researched by PFC2D. The results show that: the ductile failure occurs at shallow cutting depths, the brittle failure occurs as the depth of cut increases beyond a threshold value. The mean cutting forces have a linear related to the cutting depth if the cutting action is dominated by the ductile mode, however, the mean cutting forces are deviate from the linear relationship while the cutting action is dominated by the brittle mode. The failure mechanism changes from brittle mode with larger chips under atmospheric conditions, to ductile mode with crushed chips under hydrostatic conditions. As the cutting velocity increases, a grow number of micro-cracks are initiated around the cutter and the volume of the chipped fragmentation is decreasing correspondingly. The crack initiates and propagates parallel to the free surface with a smaller rake angle, but with the rake angle increases, the direction of crack initiation and propagation is changed to towards the intact rock. The existence of joint set have significant influence on crack initiation and propagation, it makes the crack prone to propagate along the joint.
Rock brittleness, which is closely related to the failure modes, plays a significant role in the design and construction of many rock engineering applications. However, the brittle-ductile failure transition is mostly ignored by the current statistical damage constitutive model, which may misestimate the failure strength and failure behaviours of intact rock. In this study, a new statistical damage model considering rock brittleness is proposed for brittle to ductile behaviour of rocks using brittleness index (BI). Firstly, the statistical constitutive damage model is reviewed and a new statistical damage model considering failure mode transition is developed by introducing rock brittleness parameter-BI. Then the corresponding damage distribution parameters, shape parameter m and scale parameter F0, are expressed in terms of BI. The shape parameter m has a positive relationship with BI while the scale parameter F0 depends on both BI and εe. Finally, the robustness and correctness of the proposed damage model is validated using a set of experimental data with various confining pressure.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.20
no.1
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pp.95-102
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2021
Analysis of the fracture surface is one of the most important methods for determining the cause of equipment structural failure. Whether structural failure is caused by impact or fatigue is necessary information in industrial fields. For ferrous and non-ferrous metal materials, two fracture phenomena are generated on the fracture surface: ductile and brittle fractures. In this study, machine learning predicts whether the fracture is based on ductile or brittle when structurural failure is caused by impact. The K-means algorithm calculates this ratio by clustering the brittle and ductile fracture data from a photograph of the impact fracture surface, unlike the existing method, which calculates the fracture surface ratio by comparison with the grid type or the reference fracture surface shape.
In the present study, the fracture toughness of U-shaped notches made of aluminum alloy Al7075-T6 under combined tension/out-of-plane shear loading conditions (mixed mode I/III) is studied by theoretical and experimental methods. In the experimental part, U-notched test samples are loaded using a previously developed fixture under mixed mode I/III loading and their load-carrying capacity (LCC) is measured. Then, due to the presence of considerable plasticity in the notch vicinity at crack initiation instance, using the Equivalent Material Concept (EMC) and with the help of the point stress (PS) and mean stress (MS) brittle failure criteria, the LCC of the tested samples is predicted theoretically. The EMC equates a ductile material with a virtual brittle material in order to avoid performing elastic-plastic analysis. Because of the very good match between the EMC-PS and EMC-MS combined criteria with the experimental results, the use of the combination of the criteria with EMC is recommended for designing U-notched aluminum plates in engineering structures. Meanwhile, because of nearly the same accuracy of the two criteria and the simplicity of the PS criterion relations, the use of EMC-PS failure model in design of notched Al7075-T6 components is superior to the EMC-MS criterion.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.549-554
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2003
In order to overcome the brittle failure of strengthening with FRP-rebars inherent to their brittle properties, two approaches have been attempted. One is to improve the properties like ductile Hybrid FRP Rods, and the other is to develop a ductile strengthening with partially unbonded FRP rebars. Experiments on real size specimen were performed to evaluate the performance of NSM (Near Surface Mounted Strengthening) and SIM (Section Increment Methods) with FRP rebars. This paper discusses the results of the tests on 8 slab specimen in terms of flexural resistance, ductility, and fatigue. They show that NSM or S1M with FRP rebars are very effective measures to strengthen existing RC structures. Above all, strengthening with partially unbonded ductile Hybrid FRP Rods shows sufficient ductility similar to that of properly designed RC structures.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.03a
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pp.1147-1153
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2009
The failure modes of rock anchors subjected to tension can be defined as follows: tensile failure of tendon, shear failure on tendon-grout interface, shear failure on grout-rock interface and tensile failure of rock. This study proposes a design method to induce the rock anchor systems to avoid the brittle failure by ensuring the minimum embedded length of rock anchors. Pull-out test results of full-scale rock anchors show that the proposed method is effective in predicting the design conditions expecting the ductile tendon failure.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.5
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pp.469-485
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2016
The failure of rock mass around deep tunnel, different from shallow tunnel largely affected by discontinuities, is dominated by magnitudes and directions of stresses, and the failures dominated by stresses can be divided into ductile and brittle features according to the conditions of stresses and the characteristics of rock mass. It is important to know the range and the depth of the V-shaped notch type failure resulted from the brittle failure, such as spalling, slabbing and rock burst, because they are the main factors for the design of excavation and support of deep tunnels. The main features of brittle failure are that it consists of cohesion loss and friction mobilization according to the stress condition, and is progressive. In this paper, a three-dimensional numerical model has been developed in order to simulate the brittle behavior of rock mass around deep tunnel by introducing the bi-linear failure envelope cut off, elastic-elastoplastic coupling and gradual spread of elastoplastic regions. By performing a series of numerical analyses, it is shown that the depths of failure estimated by this model coincide with an empirical relation from a case study.
Unconfined compression test (UCT) is widely conducted in laboratories to evaluate the mechanical behavior of frozen soils. However, its results are sensitive to the initial conditions of sample creation by freezing as well as the end-surface conditions during loading of the specimen into the apparatus for testing. This work compared ice samples prepared by three-dimensional and one-dimensional freezing. The latter created more-homogenous ice samples containing fewer entrapped air bubbles or air nuclei, leading to relatively stable UCT results. Three end-surface conditions were compared for UCT on ice specimens made by one-dimensional freezing. Steel disc cap with embedded rubber was found most appropriate for UCT. Three frozen materials (ice, frozen sand, and frozen silt) showed different failure patterns, which were classified as brittle failure and ductile failure. Ice and frozen sand showed strain-softening, while frozen silt showed strain-hardening. Subsequent investigation considered the influence of fines content on the unconfined compression behavior of frozen soil mixtures with fines contents of 0-100%. The mixtures showed a brittle-to-ductile transition of failure patterns at 10%-20% fines content.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.10a
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pp.733-736
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1999
R/C columns, one of the main structural members of reinforced concrete structures, usually sustain the axial forces of combined dead loads and live loads. When subjected to lateral loads, however, they are repeatedly subjected to bending moment, shearing forces and brittle failure such as shear failure can occur. This failure mode is not desirable and extra reinforcement is usually needed to induce a ductile failure. The design equation which is used to evaluate the maximum shear strength of a R/C column is still unsatisfactory. The objective of this study was, therefore, to evaluate the hysteretic strengthening effect and the maximum shear strength of R/C columns strengthened using carbon fibers on the seismic performance of the R/C columns under anti-symmetrical by acting moment. According to this study, it may be suggested that the shear of the strengthened R/C column were adequate to induce ductile failures.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.10a
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pp.641-646
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2002
FRP-concrete composite slab is consisted of brittle materials and then shows brittle failure mechanism. This study suggests a new design approach that FRP-concrete composite slab leads to ductile failure, and investigates their failure behaviors for two types of section by numerical analysis. Box-type section is higher than I-type section in load capacity to required FRP quantity. Each section was designed so that the strain of FRP plate is 50% to its ultimate strain on initiation of concrete crushing, and it is verified that displacement ductility is more than two. Ductility capacity can be improved by reducing the strain of FRP on initiation of concrete crushing, but as the strain of FRP is reduced load capacity to required FRP quantity is also reduced. Therefore section optimization study is needed considering safety and economical efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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