평활 및 모드 I 균열의 크기 효과에 대한 수치 연구 및 실험적 검증

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7570(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

3점 굽힘 하중을 받는 가장자리 균열 반원 굽힘(SCB) 시편은 준 취성 재료의 파괴 거동을 측정하기 위해 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 본 연구의 주요 목적은 균열 길이 대 SCB 시편 반경 비율(a/R), 범위 대 시편 직경 비율(S/D) 및 시편 크기가 굴곡 및 모드 I 균열 성장 거동에 미치는 영향을 연구하는 것이었습니다. . 윤곽 적분 방법은 모드 I 응력 강도 계수를 결정하기 위해 3차원 유한 요소 방법을 사용하여 구현되었습니다. 또한 수치 결과를 검증하기 위해 고강도 콘크리트 시편을 실험적으로 연구했습니다. 결과는 최대 압축 응력은 S/D 값에 민감하지 않은 반면 인장 응력은 매우 민감하다는 것을 보여줍니다. S/D 값은 균열 추진력(즉, 균열 입구 열림 변위(CMOD) 및 정규화된 응력 강도 계수 YI)을 제어하는 주요 매개변수입니다. 동일한 S/D의 경우 SCB 시편 직경 값 변경은 CMOD 및 YI에 미미한 영향을 미칩니다. S/D = 0.8인 실험체는 SCB 실험체 크기에 관계없이 3점 굽힘 실험 조건과 가장 적합한 실험체임을 보여주었다. 수치와 실험 결과 사이에 좋은 일치가 달성되었습니다.

3점 굽힘 하중을 받는 모서리 균열 반원 굽힘(SCB) 시편은 암석 재료, 콘크리트, 아스팔트 혼합물 및 생체 재료의 재료 파괴 거동을 측정하는 데 사용됩니다. SCB 시편 사용의 주요 장점은 모든 재료의 코어에서 쉽게 채취할 수 있다는 것6입니다. 또한 혼합 모드 I-II 파괴 인성을 계산하기 위한 간단한 형상 및 테스트 절차를 가지고 있습니다. Arsalan et al.10은 최근 균열 팁 앞에 상당한 파괴 공정 영역이 있는 연성 접착제의 혼합 모드 파괴 거동을 얻기 위해 SCB 시편을 개선했습니다. 혼합 모드 SIF는 균열 길이 비율 a/R의 함수입니다. 그 방향은 그림 1과 같이 하중 방향과 지지대11,12 사이의 거리와 관련이 있습니다. 균열 길이는 SIF13의 시편 두께보다 더 중요한 요소인 것으로 보입니다. 더욱이, SIF는 SCB 시편 반경 비율(a/R) 값에 대한 큰 균열 길이에서 매우 민감해집니다8.

SCB 시편의 형상 및 하중 조건.

또한 Lim 등14은 3점 굽힘 시험에서 SCB 시편의 SIF에 대한 a/R, 스팬 대 시편 직경 비율(S/D) 및 균열 방향의 영향을 연구했습니다. 그들은 지지 폭 길이가 감소하거나 균열 각도와 길이가 증가함에 따라 모드 II SIF가 점점 더 지배적이 된다는 것을 확인했습니다. 그들은 SIF가 짧은 균열 길이에서 SCB 시편 형상의 변화에 민감하지 않다는 결론을 내렸습니다. Adamson et al.15은 SCB의 SIF와 CMOD를 예측하기 위해 가중치 함수 방법을 사용했습니다. 또한 Aliha 등16은 파괴인성을 평가하기 위해 3점 굽힘 시험 하에서 잘게 잘린 유리섬유 강화 폴리머 콘크리트로 제조된 모서리 균열 SCB 시편을 사용했습니다. 또한 인장강도를 얻기 위해 균열이 발생하지 않은 SCB 시편을 사용했습니다. 균열 끝 주변의 응력장은 일반적으로 SIF, 균열 성장 및 첫 번째 비단수 항의 계수를 기반으로 합니다17,18. 파괴 인성은 취성 파괴 개시19,20에 필요한 균열 팁 근처의 임계 응력 상태 또는 에너지로부터 결정될 수 있습니다. 따라서 임계응력과 파괴인성의 계산이 필요하다.

많은 연구원21,22,23,24,25,26,27,28은 여러 취성 재료의 실제 파괴 인성을 측정하기 위해 다양한 시편을 평가했습니다. 또한 혼합 모드 하중 하에서 석회암 암석의 파괴 궤적에 대한 SCB 및 원형 디스크 시편의 형상 및 크기의 영향을 조사한 Aliha et al.24와 같이 디스크 시편 크기가 파괴 거동에 미치는 영향을 연구했습니다. . 또한 Abd-Elhady22는 혼합 모드 I/II SIF에 대한 SCB 시편 두께의 영향을 연구했습니다. 3점 굽힘 하중을 받는 모서리 균열 SCB 시편의 굽힘 응력과 처짐은 시편의 균열이 전파되는 주요 요인으로 간주됩니다. Stewart 등6은 아스팔트-골재 혼합물에 대한 SCB 및 디스크 압축 인장(DCT) 파괴 시험 표준29,30,31,32을 비교했습니다. 그들은 SCB 테스트가 높은 변동 계수로 낮은 파괴 저항을 측정하는 반면, DCT 테스트는 낮은 변동 계수로 파괴에 대한 저항을 측정한다는 것을 발견했습니다. 반면 Yang et al.11은 세 가지 유형의 3점 굽힘형 시편(즉, Single-edge Notched Beam(SENB), Edge Notch Disk Bend(ENBD) 및 SCB 시편)을 비교하여 파괴인성을 측정했습니다. 아스팔트 혼합물. 파괴인성은 SENB 시편이 가장 낮았고, ENBD 시편이 가장 높은 파괴인성을 나타냈다. Bažant와 그의 동료28는 적절한 수학적 형식과 크기 효과 법칙의 정당성에 대한 오랜 논쟁으로 인해 이러한 재료에 대한 설계 코드 및 실행의 진전이 지연되었다고 말했습니다. 표준 SCB 시편29,30,31의 치수는 직경이 150mm이고 시편 두께 대 반경 비율(B/R) = 1/3입니다. 또한 S/D = 0.8, a/R = 0.2입니다.

0, the peak value of the bending stress is transmitted to the crack tip by a higher tension value. This peak value of the maximum bending stress increases by increasing the crack length, as shown in Fig. 7./p> 0. In the case of S/D = 0.8, the parabolic shape clearly appears, while in the case of S/D = 0.6 and 0.4, a plateau region appears in the middle of the span. This may be considered further evidence of the superiority of S/D = 0.8. In contrast to the conventional 3 PB specimen, the flexural stiffness (EI) in the SCB specimen varies along its span due to the change in its depth. In other words, the shape of the deflection curve along the span of the SCB specimen is mainly affected by the variation of the specimen depth along the beam span (i.e., the variation of the moment of inertia, I)./p> 0. For S/D = 0.8, the deflection of the SCB specimen has a linear relationship with the deflection of the rectangular specimen, with a uniform cross-section, and specimen radius, R, has a marginal effect on this relationship. Furthermore, the deflection of the SCB specimen is higher than that of the rectangular specimen at the same load./p>