Geotechnical engineering problems are characterized by many sources of uncertainty. Some of these sources are connected to the uncertainties of soil properties involved in the analysis. In this paper, a numerical procedure for a probabilistic analysis that considers the spatial variability of soil properties is presented to study the response of spatially random soil. The approach integrates a commercial finite difference method and random field theory into the framework of a probabilistic analysis. Two-dimensional non-Gaussian random fields are generated based on a Karhunen-$Lo{\grave{e}}ve$ expansion in a fashion consistent with a specified marginal distribution function and an autocorrelation function. A Monte Carlo simulation is then used to determine the statistical response based on the random fields. A series of analyses were performed to study the effects of uncertainty due to the spatial heterogeneity on the settlement and bearing capacity of a rough strip footing. The simulations provide insight into the application of uncertainty treatment to the geotechnical problem and show the importance of the spatial variability of soil properties with regard to the outcome of a probabilistic assessment.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.1C
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pp.33-39
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2009
Vertical soil stress near a pile subjected to negative skin friction (NSF) may be reduced due to shear transfer at the pile-soil interface. A three-dimensional finite difference analysis has been performed to clarify the influence of vertical and horizontal stress reductions on the pile behavour. In addition, a simple equation has been proposed to estimate vertical stress reduction of the soil near the pile. The vertical and horizontal stresses are reduced by substantial amount compared to corresponding stress components at the Greenfield condition. The horizontal extent of vertical stress reduction of the soil near the pile is rather limited to about up to 4-8 D, where D is the pile diameter. The findings from the current research indicate that widely used $\beta$-method may result in over-estimation of dragload (compressive force on piles due to NSF) and hence stress reduction needs to be incorporated in the original equation.
Kim, Hee-Joon;Nam, Myung-Jin;Song, Yoon-Ho;Suh, Jung-Hee
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.7
no.2
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pp.148-154
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2004
This article reviews the development of three-dimensional (3-D) magnetotelluric (MT) modeling. The 3-D modeling of electromagnetic fields is essential in understanding the physics of MT soundings, and in implementing an inversion method to reconstruct a 3-D resistivity image. Although various numerical schemes have been developed over the last two decades, practical methods have been quite limited. However, the recent rapid improvement in computer speed and memory, as well as the advance in iterative solution algorithms for a large system of equations, makes it possible to model the MT responses of complex 3-D structures, which have been very difficult to simulate before. The use of staggered grids in finite difference method has become popular, conserving a magnetic flux and an electric current and allowing for realistic discontinuous fields. The convergence of numerical solutions has been greatly accelerated by adopting Krylov subspace methods, proper preconditioning techniques, and static divergence corrections. The vector finite-element method using edge elements is also free from the discontinuity problem, and seems a natural choice for modeling complex structures including irregular topography because its flexibility allows one to capture full geometric complexity.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.3
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pp.155-162
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2014
Using an isogeometric approach, a continuum-based shape design optimization method is developed for steady state power flow problems at high frequencies. In case the isogeometric method is employed to the shape design optimization, the NURBS basis functions used in CAD geometric modeling are directly utilized to embed the exact geometry into the computational framework so that the design parameterization for shape optimization is much easier than that in the finite element method and consequently provides the enhanced smoothness of design perturbations. Thus, exact geometric models can be used in both the response and the shape sensitivity analyses, where normal vector and curvature are continuous over the whole design space so that enhanced shape sensitivity can be expected. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity is compared with finite difference one to provide excellent agreement. Also, it turns out that the proposed method works very well in the shape optimization problems.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.4
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pp.329-334
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2017
The structures, which are made up with the huge number of degrees-of-freedom and the assembly of substructures, have a great complexity. In order to increase the computational efficiency, the analysis models have to be simplified. Many substructuring techniques have been developed to simplify large-scale engineering problems. The techniques are very powerful for solving nonlinear problems which require many iterative calculations. In this paper, a modal derivatives-based model order reduction method, which is able to capture the stretching-bending coupling behavior in geometrically nonlinear systems, is adopted and investigated for its performance evaluation. The quadratic terms in nonlinear beam theory, such as Green-Lagrange strains, can be explained by the modal derivatives. They can be obtained by taking the modal directional derivatives of eigenmodes and form the second order terms of modal reduction basis. The method proposed is then applied to a co-rotational finite element formulation that is well-suited for geometrically nonlinear problems. Numerical results reveal that the end-shortening effect is very important, in which a conventional modal reduction method does not work unless the full model is used. It is demonstrated that the modal derivative approach yields the best compromised result and is very promising for substructuring large-scale geometrically nonlinear problems.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.4
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pp.594-600
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2021
Curved beam structures are generally used as components in structures such as railroad bridges and vehicles. The stability analysis of curved beams has been studied by a large number of researchers. Due to the complexities of structural components, it is difficult to obtain an analytical solution for any boundary conditions. In order to overcome these difficulties, the differential quadrature method (DQM) has been applied for a large number of cases. In this study, DQM was used to solve the complicated partial differential equations for buckling analysis of curved beams. The governing differential equation was deduced and solved for beams subjected to uniformly distributed radial loads. Critical loads were calculated with various opening angles, boundary conditions, and parameters. The results of the DQM were compared with exact solutions for available cases, and the DQM gave outstanding accuracy even when only a small number of grid points was used. Critical loads were also calculated for the in-plane inextensional buckling of the asymmetric curved beams, and two theories were compared. The study of a beam with extensibility of the arch axis shows that the effects on the critical loads are significant.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.5
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pp.60-67
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2019
In general, a reinforced concrete slabs are known to have a high fire resistance performance due to thermal properties of concrete materials. However, according to previous research, the thermal behavior of voided slabs is reported to be different from that of conventional RC solid slabs, and the differences seem to be caused by the air layer formed inside the voided slab. Therefore, it is difficult to estimate the temperature distribution of the voided slab under fire by using the existing methods that do not take into account the air layer inside the voided slab. In this study, a numerical analysis model was proposed to estimate the temperature distribution of voided slabs under fire, and evaluated. Heat transfer of slabs under fire is generally caused by conduction, convection and radiation, and time-dependent temperature changes of slab can be determined considering these phenomena. This study proposed a numerical method to estimate the temperature distribution of voided slabs under fire based on a finite difference method in which a cross-section of the slab is divided into a number of layers. This method is also developed to allow consideration of heat transfer through convection and radiation in air layer inside of slabs. In addition, the proposed model was also validated by comparison with the experimental results, and the results showed that the proposed model appropriately predicts the temperature distribution of voided slabs under fire.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.1
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pp.9-17
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2021
Curved beams are increasingly used in buildings, vehicles, ships, and aircraft, which has resulted in considerable effort being directed toward developing an accurate method for analyzing the dynamic behavior of such structures. The stability behavior of elastic circular arches has been the subject of a large number of investigations. One of the efficient procedures for the solution of ordinary differential equations or partial differential equations is the differential quadrature method DQM. This method has been applied to a large number of cases to overcome the difficulties of the complex computer algorithms, as well as excessive use of storage due to conditions of non-linear geometries, loadings, or material properties. This study uses DQM to analyze the in-plane vibration of the circular arches considering the effects of midsurface extension and rotatory inertia. Fundamental frequency parameters are calculated for the member with various parameter ratios, boundary conditions, and opening angles. The solutions from DQM are compared with exact solutions or other numerical solutions for cases in which they are available and given to analyze the effects of midsurface extension and rotatory inertia on the frequency parameters of the circular arches.
Journal of the Korean Society of Groundwater Environment
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v.6
no.1
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pp.23-32
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1999
A new numerical method using solution-adaptive grids (SAG) is developed to solve the Richards' equation (RE) for unsaturated flow in porous media. Using a grid generation technique, the SAG method automatically redistributes a fixed number of grid points during the flow process, so that more grid points are clustered in regions of large solution gradients. The method uses the coordinate transformation technique to employ a new transformed RE, which is solved with the standard finite difference method. The movement of grid points is incorporated into the transformed RE, and therefore all computation is performed on fixed grid points of the transformed domain without using any interpolation techniques. Thus, numerical difficulties arising from the movement of the wetting front during the infiltration process have been substantially overcome by the new method. Numerical experiments for an one-dimensional infiltration problem are presented to compare the SAG method to the modified Picard method using a fixed grid. Results show that accuracy of a SAG solution using 41 nodes is comparable with the solution of the fixed grid method using 201 nodes, while it requires only 50% of the CPU time. The global mass balance and the convergence of SAG solutions are strongly affected by the time step size (Δt) and the weighting parameter (${\gamma}$) used for generating solution-adaptive grids. Thus, the method requires automated readjustment of Δt and ${\gamma}$ to yield mass-conservative and convergent solutions, although it may increase computational costs. The method can be effective especially for simulating unsaturated flow and other transport problems involving the propagation of a sharp-front.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.4
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pp.61-70
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2008
In this research, load-transfer-function method was selected, because that is widely used in geotechnical engineering among the analysis methods to verify the behavior of load-lateral displacement. Lateral loading test of field scale was conducted, this measured data was analyzed. From the analysis, the model of load-lateral displacement was suggested. The test results were studied and compared to the commercial programs, 'LPILE', which contain the load transfer functions proposed before. By analysis of measure data of load-lateral displacement that expressed to several functions, $y=ae^{bx}$ model was the simplest and applicable to the field. In that case a value converged about 1.3, b value had a tendency to converge about 0.02. From the comparison analysis between measured data and load transfer function by 'LPILE', it is examined that if the lateral load is small, calculated displacements of them show a similar value compared to measured values. Furthermore, the bigger lateral loads, the bigger calculated values compared to the measured data. If the results are compared by Matlock-Reese method and Matlock-API method, Matlock-Reese method shows result of safe side because lateral displacement is calculated greatly relatively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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