In nanosized structures as the surface area to the bulk volume ratio increases the classical continuum mechanics approaches fails to investigate the mechanical behavior of such structures. In perforated nanobeam structures, more decrease in the bulk volume is obtained due to perforation process thus nonclassical continuum approaches should be employed for reliable investigation of the mechanical behavior these structures. This article introduces an analytical methodology to investigate the size dependent, surface energy, and perforation impacts on the nonclassical bending behavior of regularly squared cutout nanobeam structures for the first time. To do this, geometrical model for both bulk and surface characteristics is developed for regularly squared perforated nanobeams. Based on the proposed geometrical model, the nonclassical Gurtin-Murdoch surface elasticity model is adopted and modified to incorporate the surface energy effects in perforated nanobeams. To investigate the effect of shear deformation associated with cutout process, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams theories are developed. Mathematical model for perforated nanobeam structure including surface energy effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Closed forms for the nonclassical bending and rotational displacements are derived for both theories considering all classical and nonclassical kinematics and kinetics boundary conditions. Additionally, both uniformly distributed and concentrated loads are considered. The developed methodology is verified and compared with the available results and an excellent agreement is noticed. Both classical and nonclassical bending profiles for both thin and thick perforated nanobeams are investigated. Numerical results are obtained to illustrate effects of beam filling ratio, the number of hole rows through the cross section, surface material characteristics, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical bending behavior of perforated nanobeams in the presence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the bending deflection compared with the corresponding effect of the surface elasticity, Es. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.4A
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pp.245-253
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2012
In the longway tunnel and underground traffic road, the structure of transverse ventilation system is constructed by the airpit slab. In this study, the full scale specimens of the PSC airpit slab that attached fire resistance panel are performed the static and dynamic loading tests for evaluation of bending capacity. The first of all, it confirmed the evaluations about the fundamental efficiency of the fire resistance panel and PSC slab by the 3-point bending test and pull-off test. The tests are performed for evaluation of the bending resistance under ultimate static load and the bonded capacity under dynamic fatigue load. A fatigue test is performed for an investigation of the effect on wind pressure that is developed by transit of traffic. The damage or debonding on surface between fire resistance panel and PSC slab was not developed in dynamic fatigue load test, also the behavior of the specimens is very stable and the debonding of the fire resistance panel attached at the bottom surface of PSC slab was not developed in static load test, too. Therefore, the crack or debonding of the fire resistance panel will be not developed by external loads during the construction or completion of the precast fire resistance system.
A study on the evaluationof the proper spacing and required bending rigidity of cross beams in composite multiple I-girder bridge without lateral and sway bracing system was performed. For the purpose, a two-lane 40m simple span and 40+50+40m continuous sample bridge with four girders was designed. For the sample bridges, structural analysis under the design loads including dead load before and after composite, live load, and seismic loads has been performed. The material and geometric nonlinear analysis under dead load before composite has also been performed to evaluate lateral buckling strength of the steel-girder-cross beam grillage. Based on the two phase anlayses, proper spacing and bending righidity of cross beams were proposed.
In bridge structures, damage may induce an additional deflection which may naturally contain essential information about the damage. However, inverse mapping from the damage-induced deflection to the actual damage location and severity is generally complex, particularly for statically indeterminate systems. In this paper, a new load concept, called the positive-bending-inspection-load (PBIL) is proposed to construct a simple inverse mapping from the damage-induced deflection to the actual damage location. A PBIL for an inspection region is defined as a load or a system of loads which guarantees the bending moment to be positive in the inspection region. From the theoretical investigations, it was proven that the damage-induced chord-wise deflection (DI-CD) has the maximum value with the abrupt change in its slope at the damage location under a PBIL. Hence, a novel damage localization method is proposed based on the DI-CD under a PBIL. The procedure may be summarized as: (1) identification of the modal flexibility matrices from acceleration measurements, (2) design for a PBIL for an inspection region of interest in a structure, (3) calculation of the chord-wise deflections for the PBIL using the modal flexibility matrices, and (4) damage localization by finding the location with the maximum DI-CD with the abrupt change in its slope within the inspection region. Procedures from (2)-(4) can be repeated for several inspection regions to cover the whole structure complementarily. Numerical verification studies were carried out on a simply supported beam and a three-span continuous beam model. Experimental verification study was also carried out on a two-span continuous beam structure with a steel box-girder. It was found that the proposed method can identify the damage existence and damage location for small damage cases with narrow cuts at the bottom flange.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.6
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pp.107-115
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2002
A parametric study has been conducted to evaluate the effects of finite element modeling methods on the internal loads, sizing and the weight of the multi-spar aircraft wing structures. The wing is idealized into total 18finite element models and subjected to 4typical external load conditions. An automatic sizing algorithm based on MSC/NASTRAN and MSC/PATRAN is developed. The results show that the critical part affection the internal loads and weight of the structure is wing skin. Effect of modeling of the spar and rib on the structural behavior is not manifest. On the contrast to the general expectation, the models using the bending-resistant elements show the heavier weight than ones by the elements without bending stiffness. From this results, designers of multi-spar wing are recommended to construct the finite element model considering the bending stiffness, or to check the characteristics of the structure before modeling.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.535-543
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2002
The purpose of this paper is to investigate the slenderness ratio effect on buckling characteristics of thin cylindrical structures subjecting the shear loads in detail. To do this, the buckling strength evaluations were carried out with using the evaluation formulae proposed by J. Okada. From the results of the buckling strength evaluations, the three types of staled cylindrical test specimen, which have L/R=3.1, 1.6, and 1.0, are determined for the numerical analyses and tests. From results, target slenderness ratio over L/R=3 results in dominant bending buckling mode, smaller slenderness ratio under L/R=1 results in dominant shear buckling mode, and near L/R=1.6 region shows the mixed buckling mode which has the bending and shear buckling mode simultaneously. Most results of buckling characteristics obtained by the numerical analyses and the evaluation formulae we in good agreement with those of tests.
This study aims to evaluate the dynamic responses of the jacket-type offshore wind turbine using FAST software (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence). A systematic series of simulation cases of a 5 MW jacket-type offshore wind turbine, including wind-only, wave-only, wind & wave load cases are conducted. The dynamic responses of the wind turbine structure are obtained, including the structure displacement, rotor speed, thrust force, nacelle acceleration, bending moment at the tower bottom, and shear force on the jacket leg. The calculated time-domain results are transformed to frequency domain results using FFT and the environmental load with more impact on each dynamic response is identified. It is confirmed that the dynamic displacements of the wind turbine are dominant in the wave frequency under the incident wave alone condition, and the rotor thrust, nacelle acceleration, and bending moment at the bottom of the tower exhibit high responses in the natural frequency band of the wind turbine. In the wind only condition, all responses except the vertical displacement of the wind turbine are dominant at three times the rotor rotation frequency (considering the number of blades) generated by the wind. In a combined external force with wind and waves, it was observed that the horizontal displacement is dominant by the wind load. Additionally, the bending moment on the tower base is highly affected by the wind. The shear force of the jacket leg is basically influenced by the wave loads, but it can be affected by both the wind and wave loads especially under the turbulent wind and irregular wave conditions.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.5
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pp.399-406
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2016
The large scale wind turbine blades usually experience periodic change of inflow speed due to blade rotation inside the ground shear flow region. Because of the vertical wind shear, the inflow velocity in the boundary layer region is maximum at uppermost position and minimum at lowermost position. These spatial distribution of wind speeds can lead to the periodic oscillation of the 6-component loads at hub and low speed shaft of the wind turbine rotor. In this study we compare the aerodynamic loads between two inflow conditions, i.e, uniform flow (no vertical wind shear effect) and normal wind profile. From the computed results all of the relative errors for oscillating amplitudes increased due to the ground shear flow effect. Especially bending moment and thrust at hub, and bending moments at LSS increased enormously. It turns out that the aerodynamic analysis including the ground shear flow effect must be considered for fatigue analysis.
This study conducted aeromechanics modeling and structural load analyses of Tilt Rotor Aeroacoustic Model (TRAM), a 25% scaled V-22 tiltrotor model used in wind tunnel tests. A rotorcraft comprehensive analysis code, CAMRAD II, was used. Analysis results of this study in low-speed forward flights were compared with DNW test and previous analysis results. Blade flap bending moments were in good agreement with measured data. Mean values and oscillatory loads for lead-lag bending and torsion moments were slightly different from measured data. However, when mean values were removed, results of structural loads for one rotor revolution were moderately compared with wind tunnel tests and previous analyses. Total forces and half peak-to-peak forces of the pitch link reasonably well matched with previous analysis results and measured data. Finally, harmonic magnitudes of blade structural loads were investigated.
The paper presents a numerical analysis of a steel-soil composite (SSC) culvert in the scope of static (dead and live) loads. The Abaqus program based on the finite element method (FEM) was used for calculations. Maximum displacements were obtained in the shell crown, and the largest stresses in the haunches. Calculation results were compared with the experimental ones and previous calculations obtained from the Autodesk Robot Structural Analysis (ARSA) program. The shapes of calculated displacements and stresses are similar to those obtained with the experiment, but the absolute values were generally higher than measured ones. The relative differences of calculated and measured values were in the range of 5-23% for displacements, and 15-42% for stresses. Developed calculation model of the SSC culvert in the Abaqus program allows obtaining reasonable values of internal forces in the culvert. Using both calculation programs, the relative differences for displacements were in the range of 15-39%, and 17-44% for stresses in favour of the Abaqus program. Three design methods (Sundquist-Pettersson, Duncan and CHBDC) were used to calculate the axial thrusts and bending moments. Obtained values were compared with test results. Generally, the design methods have conservative assumptions, especially in the live loads distribution, safety factors and consideration the interaction between soil and steel structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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