Notch effect and fracture load predictions of rock beams at different temperatures using the Theory of Critical Distances

ABSTRACT: This work aims to analyse the fracture behaviour of rocks with U-shaped notches subjected to mode I loading and to different temperature conditions. To this end, the so called Theory of Critical Distances (TCD) is applied and four different types of isotropic rocks are studied: a Floresta sandstone, a Moleano limestone, a Macael marble and a Carrara marble. This study attempts to extend a previous work of the authors where the TCD was successfully applied to U-notched components subjected to mode I loading conditions at room temperature. In this case, the effect of temperature is considered as a new variable. The research comprises, in total, more than 790 four-point bending tests and 144 tensile splitting (Brazilian) tests. The latter include 6 disc-shaped specimens for each rock and temperature (6 different temperatures), while the four-point bending tests consist of at least 6 SENB specimens for each rock, notch radius (8 different notch radii varying from 0.15 mm to 15 mm) and temperature (4 different temperatures) combination. The temperatures considered in this study vary from room temperature up to 250ºC, which is a common range in geothermal applications. Temperature has proven to be a significant parameter when analysing the fracture behaviour of the four selected rocks. Its influence on the tensile strength and fracture toughness of the rocks is clear and reveals common patterns. However, no apparent tendencies are shown on the influence of temperature on the critical distance (L). Likewise, the application of the TCD has led to relatively accurate fracture predictions and notch effect analyses at different temperature conditions.The authors of this work would like to express their gratitude to the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and to the European Regional Development Fund (ERDF) for financing the National Plan Project (Ref.: BIA2015-67479-R) under the name of “The Critical Distance in Rock Fracture”

The effect of loading rate on fracture energy of asphalt mixture at intermediate temperatures and under different loading modes

At intermediate service temperatures hot mix asphalt (HMA) concretely are subjected to different loading rates due to movement of vehicles which can significantly affect their mechanical characteristics and final service load. Hence, in this paper the effect of loading rate on intermediate temperature fracture resistance of HMA materials is investigated experimentally in different modes of cracking. Different hot mix asphalt mixtures made of various compositions were subjected to asymmetric threepoint bend loading in the form of edge cracked semi-circular bend (SCB) specimens. The effect of aggregate type and air void were studied on the fracture energy values for three mode mixities (including pure mode I, mixed mode I/II and pure mode II) and at different temperatures of 5°C, 15°C and 25°C. Trends of change in fracture energy values revealed noticeable influence of loading rate on the low and intermediate temperature cracking behavior of tested asphalt mixtures with different air void contents and aggregate types subjected to mixed mode I/II loading. Also, a change observed in fracture resistance of asphalt mixtures at nearly zero (5°C) and intermediate temperatures (25°C) that was due to change in the behavior of bitumen from elastic to viscoelastic. © 2018, Gruppo Italiano Frattura. All rights reserved

fracture and microstructural study of bovine bone under mixed mode i ii loading

Abstract Understanding the fracture behavior and associated crack growth mechanism in bone material is an important issue for biomechanics and biomaterial researches. Fracture of bone often takes place due to complex loading conditions which result in combined tensile-shear (i.e. mixed mode) fracture mechanism. Several parameters such as loading type, applied loading direction relative to the bone axis, loading rate, age and etc., may affect the mixed mode fracture resistance and damage mechanism in such materials. In this research, a number of mixed mode I/II fracture experiments are conducted on bovine femur bone using a sub-sized test configuration called "compact beam bend (CBB)" specimen to investigate the fracture toughness of bone under different mode mixities. The specimen is rectangular beam containing a mid-edge crack that is loaded by a conventional three-point bend fixture. The results showed the dependency of bone fracture toughness on the state of mode mixity. The fracture surfaces of broken CBB specimens under different loading conditions were studied via scanning electron microscopy (SEM) observations. Fracture surface of all investigated cases (i.e. pure mode I, pure mode II and mixed mode I/II) exhibited smooth patterns demonstrating brittle fracture of bovine femur. The higher density of vascular channels and micro-cracks initiated in the weakened area surrounded by secondary osteons were found to be the main cause of the decreased bone resistance against crack growth and brittle fracture

Fracture and Fatigue Analysis for a Cracked Carabiner Using 3D Finite Element Simulations

Выполнено численное моделирование процесса усталостного разрушения соединительного карабина из сплава Al-7075 с малой краевой трещиной для типичных условий эксплуатационного нагружения. С использованием метода конечных элементов в трехмерной постановке определены характеристики разрушения материала по смешанной моде для различных условий нагружения и конфигураций трещины (включая ее длину, глубину и угол наклона). Согласно полученным результатам, деформацией исследуемого карабина по моде III ввиду ее малости можно пренебречь, вследствие чего разрушение происходит по смешанному механизму отрывасдвига (смешанная мода I/II). Проведен расчет коэффициентов интенсивности напряжений (KI и KII ) и сингулярных Т-напряжений. Показано, что знак и значение этих параметров разрушения определяются геометрией и ориентацией трещины. Рассчитаны критическая длина трещины и живучесть карабина с трещиной при повторно-переменном нагружении на основании известных критериев разрушения и моделей роста усталостной трещины.Виконано числове моделювання процесу втомного руйнування з’єднувального карабіна зі сплаву Al-7075 із малою крайовою тріщиною для типових умов експлуатаційного навантаження. Із використанням методу скінченних елементів у тривимірній постановці визначено характеристики руйнування матеріалу за змішаною модою для різних умов навантаження і конфігурацій тріщини (включаючи її довжину, глибину і кут нахилу). Згідно з отриманими результатами деформацією досліджуваного карабіна по моді III через її малість можна знехтувати, внаслідок чого руйнування відбувається за змішаним механізмом відриву-зсуву (змішана мода I/II). Проведено розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень (KI і KII ) і сингулярних Т-напружень. Показано, що знак та значення цих параметрів руйнування визначаються геометрією та орієнтацією тріщини. Розраховано критичну довжину тріщини та живучість карабіна з тріщиною при повторно-змінному навантаженні на основі відомих критеріїв руйнування і моделей росту втомної тріщини

Experimental fracture resistance study for cracked bovine femur bone samples

Crack growth and brittle fracture is one of the major failure modes in bone materials and therefore understanding the fracture behavior and affecting parameters on the crack growth resistance of bone is necessary for biomechanics researchers. In this paper, mode I fracture toughness value for the left and right femur bones of same bovine were measured experimentally using several single edge notch bend beam specimens (SENB) subjected to three-point bend loading in dry condition. The SENB specimens were cut along the longitudinal axis of bone but from different hoop directions. Fracture toughness results of sample prepared from the frontal part of bone were higher than the back or side sections. Depending on the location of sample, the fracture toughness of femur bone was varied from 5 to 10 MPa . Furthermore, the results obtained for similar location of both left and right femur bones were nearly identical. The fracture energy (Gf) of the tested specimens was also measured and it was found that a linear relation can be fitted to the (KIc)2 versus Gf results of the tested bovine bone

La representación en la construcción de conocimiento en estudiantes de quinto de primaria : una aproximación al cambio en la materia a partir de una experiencia culinaria.

La presente investigación está enfocada a caracterizar el conjunto de representaciones que hacen los estudiantes de grado quinto de primaria de la Institución Educativa (IE) Ciudad Mocoa del departamento del Putumayo, en donde se pone de manifiesto la construcción de conocimiento a partir de la preparación de un pastel de cumpleaños; para ello, se reconocen los aspectos que se llevan a cabo en dicha construcción de conocimiento, basados en la triada Lenguaje, Experiencia y Conocimiento (L.E.C.) planteada por Arcá, Guidoni & Mazzoli (1990); los cuales, reconocen que el aprendizaje debe propender por analizar los elementos que hacen parte de la cotidianidad de los sujetos; esta cotidianidad, comprende una cantidad de eventos que deben ser analizados por ellos y que les permiten explorar el mundo que los rodea, encontrando poco a poco, mejores explicaciones para sus entornos.Magister en Docencia de las Ciencias NaturalesMaestrí

Evaluating Mechanical Properties of Macro-Synthetic Fiber-Reinforced Concrete with Various Types and Contents

Concrete, as one of the most widely used construction materials, has a brittle behavior. Adding fibers with different types and contents would affect the ductility behavior and mechanical properties of concrete. Hence, an experimental study was conducted to investigate effects of type and content of polymer fibers on mechanical properties of fiber-reinforced concrete such as flexural strength, compressive strength, indirect tensile strength, and elastic modulus. In the present research, the concrete samples were made and, then, evaluated, using three different types of polymer fibers, including twisted, barchip, and fibrillated, with the contents of 0.2, 0.4, and 0.6 volume percentages, respectively. The results showed that by adding fibers to the concrete samples, the flexural and tensile strength was increased by 19.6–81.69% and 0.84–34.29%, respectively; besides, the addition of the fibers to concrete reduced the compressive strength and elasticity modulus by 4.57–26.32% and 12.48–37.08%, respectively. The concrete containing twisted and barchip fibers, despite the different types of fibers, had similar flexural performance.Бетон как один из наиболее широко используемых строительных материалов характеризуется хрупкими свойствами. Добавление в бетон волокон различного типа и содержимого влияет на податливость и механические характеристики бетона. Проведено экспериментальное исследование для оценки влияния типа и содержимого полимерных волокон на механические свойства армированного волокнами бетона (прочность при изгибе, прочность при сжатии, косвенный предел прочности при растяжении, модуль упругости). Образцы из бетона были выполнены с применением трех различных типов полимерного волокна (скрученное, щепкообразные прутки, фибриллированное) с содержанием 0.2, 0.4 и 0.6 об.% соответственно. Установлено, что, добавление волокна в образцы из бетона повышает пределы прочности на изгиб и растяжение на 19.6–81.69% и 0.84–34.29% соответственно и понижает предел прочности при сжатии и модуль упругости на 4.57–26.32% и 12.48–37.08% соответственно. Бетон, содержащий скрученные волокна и волокна в виде щепкообразных прутков, несмотря на различные типы волокон, имеет одинаковые изгибные характеристики.Бетон як один із будівельних матеріалів, що найбільш широко використовується, має крихкі властивості. Добавляння в бетон різного типу і вмісту волокон впливає на його піддатливість і механічні характеристики. Експериментально досліджено вплив типу і вмісту полімерних волокон на механічні характеристики армованого волокнами бетону (міцність при згині і при стиску, умовна границя міцності при розтязі, модуль пружності). Зразки з бетону виготовляли з добавлянням трьох типів полімерного волокна (скручене 0,2 об.%, тріскоподібні прутики 0,4 об.%, фібрильоване 0,6 об.%). Установлено, що добавляння волокна в зразки з бетону підвищує границі міцності при згині і розтязі на 19,6...81,69% та 0,84...34,29% відповідно і знижує границю міцності при стиску і модуль пружності на 4,57...26,32% і 12,48...37,08% відповідно. Назважаючи на різні типи волокон (скручене, тріскоподібні прутики), бетон має однакові характеристики при згині

Study of Composite Fiber Reinforcement of Cracked Thin-Walled Pressure Vessels Utilizing Multi-Scaling Technique Based on Extended Finite Element Method

One of the most important challenges of storing fluids in thin walled pressure vessels under internal pressure is preventing crack propagation. In low temperature, steel shows brittle crack propagation characteristic which is highly dangerous. In this paper, a new numerical model is presented in order to investigate the reinforcement of a cracked thin walled pressure vessel by composite patch.Одна из наиболее важных проблем хранения жидкостей в тонкостенных сосудах высокого давления предотвращение распространения трещин. При низких температурах имеет место хрупкое распространение трещин, которое является опасным. Представлена новая численная модель расчета усиления тонкостенного сосуда давления с трещиной композитной накладкой.Однією з найбільш важливих проблем зберігання рідини в тонкостінних посудинах високого тиску є запобігання розповсюдженню тріщин. При низьких температурах має місце крихке розповсюдження тріщин, що є небезпечним. Представлено нову числову модель розрахунку підсилення тонкостінної посудини тиску з тріщиною композитною накладкою

The effect of loading rate on fracture energy of asphalt mixture at intermediate temperatures and under different loading modes

At intermediate service temperatures hot mix asphalt (HMA) concretely are subjected to different loading rates due to movement of vehicles which can significantly affect their mechanical characteristics and final service load. Hence, in this paper the effect of loading rate on intermediate temperature fracture resistance of HMA materials is investigated experimentally in different modes of cracking. Different hot mix asphalt mixtures made of various compositions were subjected to asymmetric threepoint bend loading in the form of edge cracked semi-circular bend (SCB) specimens. The effect of aggregate type and air void were studied on the fracture energy values for three mode mixities (including pure mode I, mixed mode I/II and pure mode II) and at different temperatures of 5°C, 15°C and 25°C. Trends of change in fracture energy values revealed noticeable influence of loading rate on the low and intermediate temperature cracking behavior of tested asphalt mixtures with different air void contents and aggregate types subjected to mixed mode I/II loading. Also, a change observed in fracture resistance of asphalt mixtures at nearly zero (5°C) and intermediate temperatures (25°C) that was due to change in the behavior of bitumen from elastic to viscoelastic

ISRM-Suggested Method for Determining the Mode I Static Fracture Toughness Using Semi-Circular Bend Specimen

The International Society for Rock Mechanics has so far developed two standard methods for the determination of static fracture toughness of rock. They used three different core based specimens and tests were to be performed on a typical laboratory compression or tension load frame. Another method to determine the mode I fracture toughness of rock using semicircular bend specimen is herein presented. The specimen is semicircular in shape and made from typical cores taken from the rock with any relative material directions noted. The specimens are tested in three-point bending using a laboratory compression test instrument. The failure load along with its dimensions is used to determine the fracture toughness. Most sedimentary rocks which are layered in structure may exhibit fracture properties that depend on the orientation and therefore measurements in more than one material direction may be necessary. The fracture toughness measurements are expected to yield a size-independent material property if certain minimum specimen size requirements are satisfied