Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.9
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pp.859-869
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2009
The sharp indenters such as Berkovich and conical indenters have a geometrical self-similarity in theory, but different materials have the same load-depth curve in case of single indentation. In this study, we analyze the load-depth curves of conical indenter with angles of indenter via finite element method. From FE analyses of dual-conical indentation test, we investigate the relationships between indentation parameters and load-deflection curves. With numerical regressions of obtained data, we finally propose indentation formulae for material properties evaluation. The proposed approach provides stress-strain curve and the values of elastic modulus, yield strength and strain-hardening exponent with an average error of less than 2%. It is also discussed that the method is valid for any elastically deforming indenters made of tungsten carbide and diamond for instance. The proposed indentation approach provides a substantial enhancement in accuracy compared with the prior methods.
Mona M. Fawzy;Fattouh M. F. Shaker;Alia M. Ayyash;Mohamed M. Salem
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.1-13
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2024
The objective of this research is to study experimentally and numerically the behavior of steel beam columns with openings. Although the presence of openings in the beam columns is inevitable, finding ways to maintain strength is crucial. The studied parameters are opening shape, the ratio between opening height to specimen height, the percentage of opening location from support to beam column length, and web slenderness. Experimental tests are conducted including twelve specimens to study the effect of these parameters and record failure load, load deflection curve, and stress strain curve. Two failure modes are observed: local and flexural buckling. Interaction curves plotted from finite element model analysis are also used to expand the parametric study. Changing the location of the opening can decrease failure load by up to 7% and 60% in both normal and moment ratios respectively. Increasing the opening dimension can lead to a drop in the axial ratio by up to 29% and in the moment ratio by up to 74%. The weakest beam column behavior is noticed in specimens with rectangular openings which results from uneven and concentrated stresses around the opening. The main results of this research illustrate that the best location for opening is at 40% - 50% from beam column support. Also, it is advisable to use circular openings instead of rectangular openings in specimens having slender webs because moment ratios are raised by 85% accompanied by a rise in normal ratios by 9%.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.34
no.3
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pp.53-63
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1992
To investgate the fracture behavior of the steel fiber reinforced concreate, the specimens with different steel fiber contents of 0.0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, were made and notched with differents notch depth ratios of 0.0,0.2, 0.4, 0.6, and the three point bend tests were followed. Test results of 16 different types of above combined specimens were summarized as follows. 1.The load line deflection contents were found to increase 5%, 16%, 19%, respectively, compared to the unnotched specimen with the increased of initial notch depth ratio to 0.2,0.4, 0.6, respectively. 2.The frexural strength were found to decrease 14%, 16%, 21 %, respectively, compared to the unnotched specimen with the increase of initial notch depth ratio to 0.2, 0.4, 0.6,respectively. 3.The stress intensity factors of the steel fiber reinforced concrete were found to increase 1.1 1.5 1.9 times, respectively, compared to the concrete with no steel fiber content with the increase of fiber content to 0.5%, 1.0%, 1.5%, respectively. 4.The influence of the mass of the steel fiber reinforced concrete to the whole fracture energy was found to be minor with 6~8 % contribution. 5.The fracture energy of the steel fiber reinforced concrete, considering the load-deflection curve and concrete mass was found to be approximately 350-380kg m/m$^2$. 6.The regression analysis through the relationship between the compressive(Oc)/tensile (OT) strength and fracture energy(Gf) showed that the fracture energy of the steel fiber reinforced concrete could be predicted as follows. Gf= 19.2662 Oc - 3940.4 Gf= 246.876 OT- 6008.8
Recently, the construction industry commonly uses FRP as a reinforcement material because of its material advantages. FRP attached reinforcement has various advantages such as high strength, stiffness, excellent durability and construction practicability comparing to its weight. However, external attachment of FRP is water-tighted with low water permeable material, not draining water, probably causing damages on a permanent structure. The study manufactured it through pultrusion and examined GP(glass fiber panel) of which material-mechanical properties are almost same as the existing FRP but durability and attachment performance are better by stationary experiments, testing load-deflection curve, destruction types and load-deflection relation under repetitive loading test. As a result of 2,000,000 fatigue tests, it did not result in the destruction and showed excellent permanent attachment and durability as it displays significantly low compressive strain of concrete.
High-speed turbomachinery implements gas foil bearings (GFBs) due to their distinctive advantages, such as high efficiency, lesser part count, and lower weight. This paper provides the test results of the static structural stiffnesses and loss factors of bump-type foil thrust bearings with increasing preload and bearing deflection. The focus of the current work is to experimentally quantify variability in structural stiffnesses and loss factors among the four test thrust bearings with identical design values and material of the bump and top foil geometries using the same (open-source) fabrication method. A simple test setup, using a rigidly mounted non-rotating shaft and thrust disk, measures the bearing bump deflections with increasing static loads on the test bearing. The inner and outer diameters of the test bearings are 41 mm and 81 mm, respectively. The loss factor, best-representing energy dissipation in the test bearings, is estimated from the area inside the local hysteresis loop of the load versus the bearing deflection curve. The measurements show that structural stiffnesses and loss factors of the test bearings significantly rely on applied preloads and bearing deflections. Local structural stiffnesses of the test bearings increase with applied preloads but decrease with bearing deflections. Changes of loss factors are less sensitive to applied preloads and bearing deflections compared to those of structural stiffnesses. Up to 35% variability in static load structural stiffnesses is found between bearings, while up to 30% variability in loss factors is found between bearings.
Many experimental and analytical studies have been conducted with beam-column subassemblages composed of a two-span beam to investigate the progressive collapse resistance of RC frames. Most study results reveal a strength-decreased transition phase in the nonlinear static load-deflection curve, which may induce dynamic snap-through response and increase the chord rotation demand for effective catenary action (ECA). In this study, the nonlinear static response is idealized as a piecewise linear curve and analytical pseudo-static response is derived for each linearized region to investigate the rotation demands for the ECA of the two-span RC beams. With analytical parameters determined from several published test results, numerical analysis results indicate that the rotation demand of 0.20 rad recommended in the design guidelines does not always guarantee the ECA. A higher rotation demand may be induced for the two-span beams designed with smaller span-to-depth ratios and it is better to use their peak arch resistance (PAR) as the collapse strength. A tensile reinforcement ratio not greater than 1.0% and a span-to-depth ratio not less than 7.0 are suggested for the two-span RC beams bridging the removed column if the ECA is expected for the collapse resistance. Also, complementary pseudo-static analysis is advised to verify the ECA under realistic dynamic column loss even though the static PAR is recovered in the nonlinear static response. A practical empirical formula is provided to estimate an approximate rotation demand for the ECA.
Residual stress is a dominant obstacle to efficient production and safe usage of products by reducing the mechanical strength and failure properties. Especially, it causes interfacial failure and substrate deflection in the case of thin film. So, the exact evaluation and optimum control of thin film residual stress is indispensable. However, hole drilling or X-ray diffraction techniques have some limits in application to thin film. And, curvature technique for thin film materials cannot give the information about local stress variation. Therefore, we applied the nanoindentation technique in evaluating the thin film residual stress. In this study, we modeled the change of indentation loading curve for residually stressed and stress-free thin films during stress relaxation. The value of residual stress was directly related to the indentation depth change by relaxation. The residual stress from nanoindentation analysis was consistent with the result from curvature technique.
Coating is one of the methods used to solve the problem of corrosion of reinforcement in concrete structures. There are few research reported in the literature regarding the effect of zinc-coating on flexural behavior compared to epoxy coating. The objective of this study was to determine whether zinc-coated rebar adversely affects flexural behavior. Concrete beams reinforced with black or zinc-coated steel were tested in flexure. The test variables included the presence of rebar surface coating with zinc, steel ratio used and cover depth. The study concentrated on comparing crack pattern, crack width, deflection and strain. The ultimate flexural capacity of beams reinforced with zinc-coated bars was not different from that of black steel reinforced beams. The results from deflection and crack width measurements were indicative of no significant variation for the different rebar surface conditions. In addition, it was found that load-strain curve of beam reinforced with zinc-coated steel was similar to that of beam reinforced with zinc-coated steel. Therefore, the test results indicated that the use of zinc-coated rebar had no adverse effect on flexural behavior compared to the use of black rebar.
Many novel materials exhibit a property of different elastic moduli in tension and compression. One such material is graphene, a wonder material, which has the highest strength yet measured. Investigations on buckling problems for structures with different moduli are scarce. To address this new problem, firstly, the nondimensional expression of the relation between offset of neutral axis and deflection curve is derived based on the phased integration method, and then using the energy method, load-deflection relation of the rod is determined; Secondly, based on the improved constitutive model for different moduli, large deformation finite element formulations are developed and combined with the arc-length method, finite element iterative program for rods with different moduli is established to obtain buckling critical loads; Thirdly, material mechanical properties tests of graphite, which is the raw material of graphene, are performed to measure the tensile and compressive elastic moduli, moreover, buckling tests are also conducted to investigate the buckling behavior of this kind of graphite rod. By comparing the calculation results of the energy method and finite element method with those of laboratory tests, the analytical model and finite element numerical model are demonstrated to be accurate and reliable. The results show that it may lead to unsafe results if the classic theory was still adopted to determine the buckling loads of those rods composed of a material having different moduli. The proposed models could provide a novel approach for further investigation of non-linear mechanical behavior for other structures with different moduli.
The vibration characteristics of post-buckled laminated composite doubly curved shells are investigated. The finite element method is used for the analysis of post-buckling and free vibration of post-buckled laminated shells. The geometric non-linear finite element model includes the general non-linear terms in the strain-displacement relationships. The shell geometry used in the present formulation is derived using an orthogonal curvilinear coordinate system. Based on the principle of virtual work the non-linear finite element equations are derived. Arc-length method is implemented to capture the load-displacement equilibrium curve. The vibration characteristics of post-buckled shell are performed using tangent stiffness obtained from the converged deflection. The code is first validated and then employed to generate numerical results. Parametric studies are performed to analyze the snapping and vibration characteristics. The relationship between loads and fundamental frequencies and between loads and the corresponding displacements are determined for various parameters such as thickness ratio and shallowness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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