[논문 리뷰] Interdependent evolution of robustness, force transmission and damage in a heterogeneous quasi-brittle granular material: from suppressed to cascading failure

Antoinette Tordesillas, Sanath Kahagalage외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 30.

Rock Mechanics and Modeling참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이질적인 준연성 입자재료에서 내구성, 힘 전달 및 손상의 상호의존적 진화를 모델링하기 위해 데이터 기반의 다스케일 프레임워크를 개발한다. 이산 요소 시뮬레이션 데이터를 분석함으로써 손상 전파와 매크로크랙 형성에 예측 가능한 두 가지 주요 전달 패턴—최적화된 유량 경로와 힘 블로킹—을 규명하며, 이 블로킹들 간의 협동 메커니즘이 고장을 지연시키지만 궁극적으로는 연쇄 붕괴를 가능하게 한다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

A heterogeneous quasi-brittle granular material can withstand certain levels of internal damage before global failure. This robustness depends not just on the bond strengths but also on the topology and redundancy of the bonded contact network, through which forces and damage propagate. Despite extensive studies on quasi-brittle failure, there still lacks a unified framework that can quantify the interdependent evolution of robustness, damage and force transmission. Here we develop a framework to do so. It is data-driven, multiscale and relies solely on the contact strengths and topology of the contact network for material properties. Using data derived from discrete element simulations of concrete specimens under uniaxial tension, we uncover evidence of an optimized force transmission, characterized by two novel transmission patterns that predict and explain damage propagation from the microstructural to the macroscopic level. The first comprises the optimized flow routes: shortest possible paths that can transmit the global transmission capacity. These paths reliably predict tensile force chains. The second are the force bottlenecks. These provide an early and accurate prediction of the ultimate pattern, location and interaction of macrocracks. A two-pronged cooperative mechanism among bottlenecks, enabled by redundancies in transmission pathways, underlies robustness in the pre-failure regime. Bottlenecks take turns in accommodating damage, while member contacts spread the forces to confine damage to low capacity contacts which leave behind a web of strong contacts to support and curtail the failure of tensile force chains in the region. This cooperative behavior, while serving to minimize the inevitable reduction in global transmission capacity, progressively heightens the interdependency among these contacts and elicits the opposite effect.

연구 동기 및 목표

• 이질적인 준연성 입자재료에서 내구성, 힘 전달 및 손상의 상호의존적 진화를 정량화하는 통합 프레임워크가 부족한 데 대응하기 위해.
• 미세구조적 토폴로지와 접촉 강도의 재undancy가 전고장 내구성과 최종적인 연쇄 붕괴에 어떻게 기여하는지 이해하기 위해.
• 억압된 상태에서 연쇄 붕괴로의 전이를 설명하는 힘 전달 패턴의 예측 가능성을 규명하기 위해.
• 미세구조적 접촉 특성을 매크로스케일 기계적 거동으로 매핑하는 네트워크 기반 접근법을 개발하기 위해.
• 미세구조 최적화를 통한 기계적 내구성 있는 입자재료의 합리적 설계를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 압축 강도가 없는 단순 인장 하중 조건에서 콘크리트 시편의 이산 요소 방법(DDEM) 시뮬레이션을 통해 접촉 강도와 네트워크 토폴로지의 미세구조적 데이터를 생성한다.
• 접촉 강도와 연결성을 기반으로 복잡한 유량 네트워크를 구축하며, 각 접촉을 정의된 전달 용량을 가진 링크로 간주한다.
• 최적화된 유량 경로는 전역 전달 용량을 전달할 수 있는 가장 짧은 경로로 정의되며, 이는 인장력 체인 형성 예측에 사용된다.
• 힘 블로킹은 힘 전달을 지배하는 핵심 접촉으로, 그 고장이 매크로크랙 기원을 유도한다.
• 모델은 블로킹 접촉 간의 힘 재분배를 부가 경로를 통해 추적하며, 손상을 저용량 링크에 국한시킨다.
• 내구성은 네트워크의 재undancy에 의해 매개되어 점진적 손상에도 불구하고 하중 지지 능력을 유지할 수 있는 시스템의 능력으로 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적인 준연성 입자재료에서 점진적 손상 동안 힘 전달 경로는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 네트워크 토폴로지와 접촉 강도 재undancy는 전고장 내구성 실현에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 힘 블로킹은 매크로크랙의 위치, 패턴, 상호작용을 조기에 예측할 수 있는가?
• RQ4 블로킹 접촉 간의 협동 행동은 고장을 지연시키면서 동시에 상호의존성을 증가시키는 방식은 무엇인가?
• RQ5 예비 고장 영역에서 억압된 상태에서 연쇄 붕괴로의 전이를 유도하는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 손상 전파와 매크로크랙 기원을 신뢰성 있게 예측할 수 있는 두 가지 새로운 전달 패턴—최적화된 유량 경로와 힘 블로킹—이 규명되었다.
• 최적화된 유량 경로는 전역 전달 용량을 전달할 수 있는 가장 짧은 경로로 정의되며, 이는 힘 체인의 발생을 설명한다.
• 힘 블로킹은 매크로크랙의 최종 고장 패턴, 위치, 상호작용을 조기에 정확하게 예측할 수 있다.
• 부가 경로에 의해 가능해진 블로킹 간의 이중적 협동 메커니즘은 손상을 저용량 구성 요소 접촉에 분산시켜 고장을 지연시킨다.
• 이 협동은 손상을 약한 연결에 국한시키며, 강한 접촉의 네트워크를 유지하여 힘 체인을 지지함으로써 전고장 내구성을 향상시킨다.
• 그럼에도 불구하고 주요 블로킹 접촉 간의 점진적 상호의존성은 궁극적으로 소규모 힘 증가가 연쇄 붕괴 시퀀스를 유도하는 임계점을 만들어낸다.