Concrete is a composite material and at meso-level, may be assumed to be composed of three phases: aggregate, mortar-matrix and aggregate-matrix interface. It is postulated herein that although non-linear material parameters are generally used to model this composite structure by finite element method, linear elastic fracture mechanics principles can be used for modelling at the meso level, if the properties of all three phases are known. For this reason, a novel meso-mechanical approach for concrete fracture which uses the composite material model with distributed-phase for elastic properties of phases and considers the size effect according to linear elastic fracture mechanics for strength properties of phases is presented in this paper. Consequently, the developed model needs two parameters such as compressive strength and maximum grain size of concrete. The model is applied to three most popular fracture mechanics approaches for concrete namely the two-parameter model, the effective crack model and the size effect model. It is concluded that the developed model well agrees with considered approaches.
대규모의 소성역을 동반하면서 파괴하는 고인성 재료의 탄소성 파괴 반가를 위하여 제안된 바 있는 CPE 모형의 유효성을 입증하고자 소성역의 영향을 보정한 선형 파괴역학과의 이론적 검토와 오오스테나이트계 스테인레스강에 대한 실험적 비교검토를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. 예측한 바와 같이 선형 파괴역학의 적용은 소규모 항복조건이 성립하는 경우에만 가능하며 CPE 모형은 대변형을 형성하면서 파괴하는 경우의 파괴모형으로서 유효하다. 더욱 엄밀한 유효성을 입증하기 위하여 다음의 사항이 필요하다고 본다. 1. 크랙의 길이가 짧은 시험편에 대한 실험이 필요하다. 2. 크랙성장 개시점을 정확하게 찾을 수 있는 방법이 필요하다. 3. 파괴 진행영역에 대한 두께의 영향을 고려해 보아야 할 필요성이 있다.
The p-version crack model based on integrals of Legendre polynomial and virtual crack extension method is proposed with its potential for application to stress intensity factor computations in linear elastic fracture mechanics. The main advantage of this model is that the data preparation effort is minimal because only a small number of elements are used and the high accuracy and the rapid rate of convergence can be achieved in the vicinity of crack tip. There are two important findings from this study. Firstly, the limit value, the strain energy of the exact solution can be estimated with successive three p-version approximations by ascertaining the approximations is entered the asymptotic range. Secondly, the rate of convergence of p-version model is almost twice that of h-version model on the basis of uniform or quasiuniform mesh refinement for the cracked panel problem subjected tension.
The concrete fatigue analysis can be performed with the use of fracture mechanics. The fracture mechanics defines the fatigue crack propagation as the relationship of crack growth rate and stress intensity factor. In contrast to metal, the application of fracture mechanics to concrete is more complicated and therefore many authors have introduced empirical expressions using Paris law. The topic of this paper is development of a new prediction of fatigue crack propagation for concrete using rheological-dynamical analogy (RDA) and finite element method (FEM) in the frame of linear elastic fracture mechanics (LEFM). The static and cyclic fatigue three-point bending tests on notched beams are considered. Verification of the proposed approach was performed on the test results taken from the literature. The comparison between the theoretical model and experimental results indicates that the model proposed in this paper is valid to predict the crack propagation in flexural fatigue of concrete.
Strain localization is important phenomenon since it governs the total behavior or ultimate loads in various kinds of engineering problems. Establishment of an analysis method for strain localization phenomena is also of great concern for expansion of fracture mechanics of concrete. Inside zone of localization, a decrese in stress is accompanied by an increse in strain; outside the strain decreses. All deformation localization phenomenon cannot be predicted by both the classical stress-strain formulation and the linear elastic fracture mechanics. In this paper, a simple one dimensional model including localized deformation zone is studied under compressive and tensile loading. When the model is loaded. localization is assumed to occur uniformly in a finite region and material outside the localization zone is modelled as elastic unloading occurs. Size effects of effective elastic moduli under compression and tension in localization zone are examined.
In this paper, we introduce various coarse-grained elastic network modeling (ENM) techniques as a novel computational method for simulating atomic scale dynamics in macromolecules including DNA, RNA, protein, and polymer. In ENM, a system is modeled as a spring network among representative atoms in which each linear elastic spring is well designed to replace both bonded and nonbonded interactions among atoms in the sense of quantum mechanics. Based on this simplified system, a harmonic Hookean potential is defined and used for not only calculating intrinsic vibration modes of a given system, but also predicting its anharmonic conformational change, both of which are strongly related with its functional features. Various nano and bio applications of ENM such as fracture mechanics of nanocomposite and protein dynamics show that ENM is one of promising tools for simulating atomic scale dynamics in a more effective and efficient way comparing to the traditional molecular dynamics simulation.
The objective of this study is to examine the fracture characteristics of concrete at early ages such as critical stress intensity factor, critical crack-tip opening displacement, fracture energy based on the concepts of the effective-elastic crack model and the cohesive crack model. A wedge splitting test for Mode I was performed on cubic wedge specimens with a notch at the edge. By varying strength and age, load-crack mouth opening displacement curves were obtained and the results were analyzed by linear elastic fracture mechanics. The results from the test and analysis showed that critical stress intensity factor and fracture energy increased, and critical crack-tip opening displacement decreased with concrete age from 1 day to 28 days. The obtained fracture parameters at early ages may be used as a fracture criterion and an input data for finite element analysis of concrete at early ages.
Ramachandra Murthy, A.;Vishnuvardhan, S.;Saravanan, M.;Gandhic, P.
Structural Engineering and Mechanics
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제72권1호
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pp.31-41
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2019
Structural integrity assessment of piping components is of paramount important for remaining life prediction, residual strength evaluation and for in-service inspection planning. For accurate prediction of these, a reliable fracture parameter is essential. One of the fracture parameters is stress intensity factor (SIF), which is generally preferred for high strength materials, can be evaluated by using linear elastic fracture mechanics principles. To employ available analytical and numerical procedures for fracture analysis of piping components, it takes considerable amount of time and effort. In view of this, an alternative approach to analytical and finite element analysis, a model based on relevance vector machine (RVM) is developed to predict SIF of part through crack of a piping component under fatigue loading. RVM is based on probabilistic approach and regression and it is established based on Bayesian formulation of a linear model with an appropriate prior that results in a sparse representation. Model for SIF prediction is developed by using MATLAB software wherein 70% of the data has been used for the development of RVM model and rest of the data is used for validation. The predicted SIF is found to be in good agreement with the corresponding analytical solution, and can be used for damage tolerant analysis of structural components.
A mathematical model is developed to predict the fatigue notch factor of butt welds subject to number of parameters such as weld geometry, residual stresses under dynamic combined loading conditions (tensile and bending). Linear elastic fracture mechanics, finite element analysis, dimensional analysis and superposition approaches are used for the modelling. The predicted results are in good agreement with the available experimental data. As a result, scatters of the fatigue data can be significantly reduced by plotting S-N curve as ($S{\cdot}K_f$) vs. N.
A study of the damage evolution laws for ductile materials was carried out to predict the ductile fracture behavior of a marine structural steel (EH36). We conducted proportional and non-proportional stress tests in the experiments. The existing 3-D fracture strain surface was newly calibrated using two fracture parameters: the average stress triaxiality and average normalized load angle taken from the proportional tests. Linear and non-linear damage evolution models were taken into account in this study. A damage exponent of 3.0 for the non-linear damage model was determined based on a simple optimization technique, for which proportional and non-proportional stress tests were simultaneously used. We verified the validity of the three fracture models: the newly calibrated fracture strain model, linear damage evolution model, and non-linear damage evolution model for the tensile tests of the asymmetric notch specimens. Because the stress evolution pattern for the verification tests remained at mode I in terms of the linear elastic fracture mechanics, the three models did not show significant differences in their fracture initiation predictions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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