Published May 10, 2023 | Version v1
Publication Open

Numerical study and experimental validation of the size effect of smooth and mode I cracked semi-circular bend specimens

Creators

  • 1. Jazan University
  • 2. Helwan University
  • 3. Zagazig University

Description

Abstract The edge-cracked semi-circular bend (SCB) specimen subjected to three-point bending loading is used in many applications to measure the fracture behavior of quasi-brittle materials. The main objective of the present work was to study the effect of the crack length to SCB specimen radius ratio ( a/R ), span to specimen diameter ratio ( S/D ), and specimen size on its flexural and mode I crack growth behavior. The contour integral method was implemented using the 3-D finite element method to determine the mode I stress intensity factor. In addition, high-strength concrete specimens were experimentally studied to validate the numerical results. The results show that the maximum compression stress is not sensitive to the S/D value, while the tensile stress is very sensitive. The value of S/D is the main parameter controlling the crack driving force (i.e., the crack mouth opening displacement (CMOD) and the normalized stress intensity factor, Y I ). For the same S/D , the SCB specimen diameter value change has a marginal effect on CMOD and Y I. The specimen with S/D = 0.8 showed that it is the most compatible specimen with three-point bending test conditions, regardless of the SCB specimen size. A good agreement between the numerical and experimental results was achieved.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يتم استخدام عينة الانحناء شبه الدائري المتصدع بالحافة (SCB) المعرضة لتحميل الانحناء ثلاثي النقاط في العديد من التطبيقات لقياس سلوك الكسر للمواد شبه الهشة. كان الهدف الرئيسي من العمل الحالي هو دراسة تأثير طول الشقوق على نسبة نصف قطر عينة SCB ( a/R )، ونسبة قطر العينة ( S/D )، وحجم العينة على سلوك نمو الانثناء والوضع I. تم تنفيذ طريقة تكامل الكفاف باستخدام طريقة العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد لتحديد عامل شدة الإجهاد في الوضع الأول. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة عينات خرسانية عالية القوة تجريبيًا للتحقق من صحة النتائج العددية. تظهر النتائج أن الحد الأقصى لإجهاد الضغط ليس حساسًا لقيمة S/D، في حين أن إجهاد الشد حساس للغاية. قيمة S/D هي المعلمة الرئيسية التي تتحكم في القوة الدافعة للتشقق (أي إزاحة فتحة فم التشقق (CMOD) وعامل شدة الإجهاد الطبيعي، Y I ). بالنسبة لنفس S/D ، فإن تغيير قيمة قطر عينة SCB له تأثير هامشي على CMOD و Y I. أظهرت العينة ذات S/D = 0.8 أنها العينة الأكثر توافقًا مع ظروف اختبار الانحناء ثلاثية النقاط، بغض النظر عن حجم عينة SCB. تم التوصل إلى اتفاق جيد بين النتائج العددية والتجريبية.

Translated Description (French)

Résumé L'échantillon de pli semi-circulaire fissuré sur le bord (SCB) soumis à une charge de flexion en trois points est utilisé dans de nombreuses applications pour mesurer le comportement à la rupture de matériaux quasi-fragiles. L'objectif principal du présent travail était d'étudier l'effet du rapport longueur de fissure/rayon de l'échantillon SCB (a/R ), du rapport étendue/diamètre de l'échantillon ( S/D ) et de la taille de l'échantillon sur son comportement de croissance de fissure en flexion et en mode I. La méthode intégrale de contour a été mise en œuvre en utilisant la méthode des éléments finis 3D pour déterminer le facteur d'intensité de contrainte du mode I. De plus, des échantillons de béton à haute résistance ont été étudiés expérimentalement pour valider les résultats numériques. Les résultats montrent que la contrainte de compression maximale n'est pas sensible à la valeur S/D, alors que la contrainte de traction est très sensible. La valeur de S/D est le paramètre principal contrôlant la force d'entraînement de la fissure (c'est-à-dire le déplacement de l'ouverture de la bouche de la fissure (CMOD) et le facteur d'intensité de contrainte normalisé, Y I ). Pour le même S/D , la variation de la valeur du diamètre de l'échantillon SCB a un effet marginal sur la CMOD et Y I. L'échantillon avec S/D = 0,8 a montré qu'il s'agit de l'échantillon le plus compatible avec les conditions d'essai de flexion à trois points, quelle que soit la taille de l'échantillon SCB. Un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux a été atteint.

Translated Description (Spanish)

Resumen La muestra de flexión semicircular (SCB) agrietada en el borde sometida a una carga de flexión de tres puntos se utiliza en muchas aplicaciones para medir el comportamiento de fractura de materiales casi frágiles. El objetivo principal del presente trabajo fue estudiar el efecto de la relación entre la longitud de la grieta y el radio de la muestra de SCB (a/R ), la relación entre la envergadura y el diámetro de la muestra ( S/D ) y el tamaño de la muestra en su comportamiento de crecimiento de grietas en flexión y modo I. El método integral de contorno se implementó utilizando el método de elementos finitos 3-D para determinar el factor de intensidad de tensión en modo I. Además, se estudiaron experimentalmente muestras de hormigón de alta resistencia para validar los resultados numéricos. Los resultados muestran que la tensión de compresión máxima no es sensible al valor S/D, mientras que la tensión de tracción es muy sensible. El valor de S/D es el parámetro principal que controla la fuerza impulsora de la grieta (es decir, el desplazamiento de apertura de la boca de la grieta (CMOD) y el factor de intensidad de tensión normalizado, Y I ). Para el mismo S/D , el cambio en el valor del diámetro del espécimen de SCB tiene un efecto marginal en CMOD e Y I. El espécimen con S/D = 0.8 mostró que es el espécimen más compatible con las condiciones de prueba de flexión de tres puntos, independientemente del tamaño del espécimen de SCB. Se logró una buena concordancia entre los resultados numéricos y experimentales.

Files

s41598-023-34201-z.pdf.pdf

Files (2.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d4671e5a71206ebc0a0fc47eaf7dd5ea
2.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دراسة عددية والتحقق التجريبي من تأثير حجم عينات الانحناء شبه الدائري السلس والوضع I المتصدع
Translated title (French)
Etude numérique et validation expérimentale de l'effet de taille des éprouvettes coudées semi-circulaires lisses et fissurées mode I
Translated title (Spanish)
Estudio numérico y validación experimental del efecto del tamaño de muestras de pliegues semicirculares lisas y agrietadas en modo I

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4376131962
DOI
10.1038/s41598-023-34201-z

Is supplement to
https://openalex.org/W652947331 (Other)
https://openalex.org/W601053328 (Other)
https://openalex.org/W3037067882 (Other)
https://openalex.org/W2888377031 (Other)
https://openalex.org/W244694481 (Other)
https://openalex.org/W2334683100 (Other)
https://openalex.org/W2277904463 (Other)
https://openalex.org/W1988906451 (Other)
https://openalex.org/W185888431 (Other)
https://openalex.org/W1542154219 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1967616963
  • https://openalex.org/W1981243834
  • https://openalex.org/W1992560096
  • https://openalex.org/W1992792578
  • https://openalex.org/W2015988616
  • https://openalex.org/W2023482457
  • https://openalex.org/W2023817440
  • https://openalex.org/W2029700247
  • https://openalex.org/W2065606354
  • https://openalex.org/W2090257076
  • https://openalex.org/W2108203641
  • https://openalex.org/W2324086489
  • https://openalex.org/W2532293587
  • https://openalex.org/W2774189779
  • https://openalex.org/W2904532913
  • https://openalex.org/W2922636660
  • https://openalex.org/W2944357675
  • https://openalex.org/W3016160313
  • https://openalex.org/W3133130910
  • https://openalex.org/W3171000033
  • https://openalex.org/W35813596
  • https://openalex.org/W4212822261
  • https://openalex.org/W4214820414
  • https://openalex.org/W4255497722
  • https://openalex.org/W4283170134
  • https://openalex.org/W4322724017