In this study, rainfall-induced slope stability and coupling effect are investigated using hydro-mechanical finite element model. This model is developed by formulating constitutive and coupled balance equations and is verified by comparing the numerical results with field matric suction. The homogeneous soil layer (soil column) and soil slope are modeled by this model, and the results of variation in matric suction, mean effective stress, porosity, displacement, factor of safety are compared with those of staggered analysis. It is found that the vertical and horizontal displacement from coupling analysis considering change in porosity is larger than that of staggered analysis. The displacement and matric suction from coupling analysis by rainfall infiltration can affect slope instability, which shows a progressive failure behavior. The lowest factor of safety is observed under short-term rainfall. This results confirm the fact that coupling analysis is needed to design soil slope under severe rain condition.
This study investigated the effects of annealing environment for the densification and purification properties of pure titanium coating layer manufactured by cold spraying. The annealing was conducted at $600^{\circ}C$/1 h and three kinds of environments of vacuum, Ar gas, and $5%H_2+Ar$ mixture gas were controlled. Cold sprayed Ti coating layer (as sprayed) represented 6.7% of porosity and 228 HV of hardness, showing elongated particle shapes (severe plastic deformation) perpendicular to injection direction. Regardless of gas environments, all thermally heat treated coating layers consisted of pure ${\alpha}$-Ti and minimal oxide. Vacuum environment during heat treatment represented superior densification properties (3.8% porosity, 156.7 HV) to those of Ar gas (5.3%, 144.5 HV) and $5%H_2+Ar$ mixture gas (5.5%, 153.1 HV). From the results of phase analysis (XRD, EPMA, SEM, EDS), it was found that the vacuum environment during heat treatment could be effective for reducing oxide contents (purification) in the Ti coating layer. The characteristic of microstructural evolution with heat treatment was found to be different at three different gas environments. The controlling method for improving densification and purification in the cold sprayed Ti coating material was also discussed.
As a pore precursor, carbon black with different content of 0 to 60 vol% were added to (Ba,Sr)$TiO_3$ powder. Porous (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics were prepared by pressureless sintering at $1350^{\circ}C$ for 1h under air. Effects of carbon black content on the microstructure and PTCR characteristics of porous (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics were investigated. The porosity of porous (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics increased from 6.97% to 18.22% and the grain size slightly decreased from $7.51\;{\mu}m$ to $5.96\;{\mu}m$ with increasing carbon black contents. PTCR jump of the (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics prepared by adding carbon black was more than $10^5$, and slightly increased with increasing carbon black. The PTCR jump in the (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics prepared by adding 40 vol% carbon black showed an excellent value of $9.68{\times}10^5$, which was above two times higher than that in (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics. These results correspond with Heywang model for the explanation of PTCR effect in (Ba,Sr)$TiO_3$ ceramics. It was considered that carbon black is an effective additive for preparing porous $BaTiO_3$ based ceramics. It is believed that newly prepared (Ba,Sr)$TiO_3$ cermics can be used for PTC thermistor.
This study developed a method to quantitatively measure the size of cracks in concrete using X-ray CT images. We prepared samples with a diameter of 50 mm and a length of 100 mm by coring cracked concrete block that was obtained by chipping. We used a micro-focus X-ray CT, then applied the 3DMA method (3 Dimensional Medial axis Analysis) to the 3D CT images to find effective parameters for damage assessment. Finally, we quantitatively assessed the damage based on sample locations, using the damage assessment parameter. Results clearly show that the area near the chipping surface was damaged to a depth of 3 cm. Furthermore, X-ray methods can be used to evaluate the porosity index, burn number, and medial axis, which are used to estimate the damage to the area near the chipping surface.
Burkhardt, Michael;Kim, Eunhye;Nelson, Priscilla P.
Geomechanics and Engineering
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v.14
no.5
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pp.491-498
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2018
The Earth Mechanics Institute (EMI) was established at the Colorado School of Mines (CSM) in 1974 to develop innovations in rock mechanics research and education. During the last four decades, extensive rock mechanics research has been conducted at the EMI. Results from uniaxial compressive strength (UCS), Brazilian tensile strength (BTS), point load index (PLI), punch penetration (PP), and many other types of tests have been recorded in a database that has been unexamined for research purposes. The EMI database includes over 20,000 tests from over 1,000 different projects including mining and underground construction, and analysis of this database to identify relationships has been started with preliminary results reported here. Overall, statistically significant correlations are identified between bulk density and mechanical strength properties through UCS, BTS, PLI, and PP testing of sedimentary, igneous, and metamorphic rocks. In this paper, bulk density is considered as a surrogate metric that reflects both mineralogy and porosity. From this analysis, sedimentary rocks show the strongest correlation between the UCS and bulk density, whereas metamorphic rocks exhibit the strongest correlation between UCS and PP. Data trends in the EMI database also reveal a linear relationship between UCS and BTS tests. For the singular case of rock coral, the database permits correlations between bulk density of the core versus the deposition depth and porosity. The EMI database will continue under analysis, and will provide additional insightful and comprehensive understanding of the variation and predictability of rock mechanical strength properties and density. This knowledge will contribute significantly toward the increasingly safe and cost-effective geostructures and construction.
This work presents inexpensive inorganic precursor formulations to yield submicron range symmetric ceramic microfiltration (MF) membranes whose average pore sizes were between 0.1 and $0.4{\mu}m$. Incidentally, the sintering temperature used in this work was about 800 to $950^{\circ}C$ instead of higher sintering temperatures ($1100^{\circ}C$) that are usually deployed for membrane fabrication. Thermogravimetric (TGA) and X-Ray diffraction (XRD) analysis were carried out to evaluate the effect of temperature on various phase transformations during sintering process. The effect of sintering temperature on structural integrity of the membrane as well as pore size distribution and average pore size were evaluated using scanning electron microscopy (SEM) analysis. The average pore sizes of the membranes were increased from 0.185 to $0.332{\mu}m$ with an increase in sintering temperature from 800 to $950^{\circ}C$. However, a subsequent reduction in membrane porosity (from 34.4 to 19.6%) was observed for these membranes. Permeation experiments with both water and air were carried out to evaluate various membrane morphological parameters such as hydraulic pore diameter, hydraulic permeability, air permeance and effective porosity. Later, the membrane prepared with a sintering temperature of $950^{\circ}C$ was tested for the treatment of synthetic oily waste water to verify its real time applicability. The membrane exhibited 98.8% oil rejection efficiency and $5.36{\times}10^{-6}\;m^3/m^2.s$ permeate flux after 60 minutes of experimental run at 68.95 kPa trans-membrane pressure and 250 mg/L oil concentration. Based on retail and bulk prices of the inorganic precursors, the membrane cost was estimated to be $220 /$m^2$ and $1.53 /$m^2$, respectively.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.34
no.9
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pp.89-96
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2006
In this study, fluid flow and thermal characteristics in a catalyst bed for nitrous oxide catalytic decomposition which is introduced as a hybrid rocket ignition system for small satellites were theoretically considered. To analyze the thermal phenomena of the catalyst bed, a so-called porous medium approach has been opted for modeling the honeycomb geometry of the catalyst bed. Using a Brinkman-extended Darcy model for fluid flow and the one-equation model for heat transfer, the analytical solutions for both velocity and temperature distributions in the catalyst bed are obtained and compared with experimental data to validate the porous medium approach. Based on the analytical solutions, parameters of engineering importance are identified to be the porosity of the catalyst bed, effective volumetric ratio, the ratio of the radius of the catalyst bed to the radius of a pore, heat flux generated by a heater, and pumping power. Their effects on thermal phenomena of the catalyst bed are studied.
Hydrophobic silica aerogel beads with low thermal conductivity and high porosity were prepared using a cost-effective sodium silicate as a silica source via an ambient-pressure drying process. Monolithic wet gels were first prepared by adjusting pH (~5) of a diluted sodium silicate solution. The silica aerogel beads (0.5~20 mm) were manufactured by breaking the wet gel monoliths under a simultaneous solvent exchange/surface modification process and an ambient-pressure drying process without using co-precursors or templates. Dried silica aerogel beads exhibit a comparable porosity ($593m^2/g$ of surface area, 34.9 nm of pore size, and $4.4cm^3/g$ of pore volume) to that of the aerogel powder prepared in the same conditions. Thermal conductivity of the silica aerogel beads (19.8 mW/mK at $20^{\circ}C$) is also identical to the aerogel powder.
Zahira Sadoun;Riadh Bennai;Mokhtar Nebab;Mouloud Dahmane;Hassen Ait Atmane
Structural Monitoring and Maintenance
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v.10
no.4
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pp.315-337
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2023
During the design phase, it is crucial to determine the interface stresses between the reinforcing plate and the concrete base in order to predict plate end separation failures. In this work, a simple theoretical study of interface shear stresses in beams reinforced with P-FGM and E-FGM plates subjected to an arbitrarily positioned point load, or two symmetrical point loads, was presented using the linear elastic theory. The presence of pores in the reinforcing plate distributed in several forms was also taken into account. For this purpose, we analyze the effects of porosity and its distribution shape on the interracial normal and shear stresses of an FGM beam reinforced with an FRP plate under different types of load. Comparisons of the proposed model with existing analytical solutions in the literature confirm the feasibility and accuracy of this new approach. The influence of different parameters on the interfacial behavior of reinforced concrete beams reinforced with functionally graded porous plates is further examined in this parametric study using the proposed model. From the results obtained in this study, we can say that interface stress is significantly affected by several factors, including the pores present in the reinforcing plate and their distribution shape. Additionally, we can conclude from this study that reinforcement systems with composite plates are very effective in improving the flexural response of reinforced RC beams.
Lemya Hanifi Hachemi Amar;Abdelhakim Kaci;Aicha Bessaim;Mohammed Sid Ahmed Houari;Abdelouahed Tounsi
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.225-238
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2024
In this paper, a quasi-3D hyperbolic shear deformation theory for the bending responses of a functionally graded (FG) porous micro-beam is based on a modified couple stress theory requiring only one material length scale parameter that can capture the size influence. The model proposed accounts for both shear and normal deformation effects through an illustrative variation of all displacements across the thickness and satisfies the zero traction boundary conditions on the top and bottom surfaces of the micro-beam. The effective material properties of the functionally graded micro-beam are assumed to vary in the thickness direction and are estimated using the homogenization method of power law distribution, which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosity phases. The equilibrium equations are obtained using the virtual work principle and solved using Navier's technique. The validity of the derived formulation is established by comparing it with the ones available in the literature. Numerical examples are presented to investigate the influences of the power law index, material length scale parameter, beam thickness, and shear and normal deformation effects on the mechanical characteristics of the FG micro-beam. The results demonstrate that the inclusion of the size effects increases the microbeams stiffness, which consequently leads to a reduction in deflections. In contrast, the shear and normal deformation effects are just the opposite.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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