The crucial differences between conventional rail with split-type connectors and continuous welded rails are axial stress in the longitudinal direction and stability, as well as other issues generated under the influence of loading effects. Longitudinal stresses generated in continuously welded rails on railway bridges are strongly influenced by the nonlinear behavior of the supporting system comprising sleepers and ballasts. Thus, the track structure interaction cannot be neglected. The rail-support system mentioned above has properties of non-uniform material distribution and uncertainty of construction quality. The linear elastic hypothesis therefore cannot correctly evaluate the stress distribution within the rails. The aim of this study is to apply the nonlinear finite element method using the nonlinear coupling interface between the track and structural model and to illustrate the welded rail behavior under the loading effect and uncertain factors of the ballast. Numerical results of nonlinear finite analysis with a three-dimensional solid and frame element model are presented for a typical track-bridge system. A composite plate girder, modeled by solid and shell elements, is also analyzed to consider the behavior of the welded rail. The analysis result showed buckling under the independent calculations of load cases, including 'temperature change', 'bending of the supporting structure', and 'braking' of the railway vehicle. A parametric study of the load combination method and the loading sequence is also included in this analysis.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.3
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pp.201-208
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2021
In this paper, the effect on the lateral and torsional behavior of ballastless railway plate girder bridge by the installation of the lower horizontal bracing has been reviewed. First of all, the most efficient lower bracing arrangement has been reviewed by comparing and examining the lateral displacement due to the train load, targeting analysis models with different arrangement types of lower bracing. Next, the research on torsional behavior of plate girder bridge with lower bracing has been conducted. In addition, the torsion constant from FEM analysis results has been compared with the torsion constant of a railroad plate girder bridge with a closed section by substituting the upper and lower horizontal bracing with equivalent thickness. Based on this comparison, the impact on the bridge span length and the cross section area of the lower bracing has been examined. Through this study, the curve graph related to lateral buckling moment and torsional constant ratio is presented and the range of plate girder bridge requiring torsional reinforcement is proposed.
Shaker, Fattouh M.F.;Ghanem, Gouda M.;Deifalla, Ahmed F.;Hussein, Ibrahim S.;Fawzy, Mona M.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.3
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pp.295-307
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2022
The objective of this research is to study experimentally the behavior of stiffened steel tubes (CFSTs). Considered parameters are stiffening methods by through-bolts or shear connectors with different configurations. In addition, the effect of global (ratio between length to diameter) and local (proportion between diameter to thickness) slenderness ratios are investigated. Load application either applied on steel only or both steel and concrete is studied as well. Case of loading on steel only happens when concrete inside the column shrinks. The purpose of the research is to improve the behavior of CFSTs by load transfer between them and different stiffening methods. A parametric experimental study that incorporates thirty-three specimens is carried out to highlight the impact of those parameters. Different outputs are recorded for every specimen such as load capacities, vertical deflections, longitudinal strains, and hoop strains. Two modes of failure occur, yielding and global buckling. Shear connectors and through-bolts improve the ultimate load by up to 5% for sections loaded at steel with different studied global slenderness and local slenderness equal 63.5. Meanwhile, shear connectors or through bolts increase the ultimate load by up to 6% for global slenderness up to 15.75 for sections loaded on composite with local slenderness equals 63.50. Recommendations for future design code development are outlined.
El-Kholy, Ahmed M.;Osman, Ahmed O.;EL-Sayed, Alaa A.
Computers and Concrete
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v.29
no.4
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pp.219-235
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2022
Strengthening slender reinforced concrete (RC) columns is a challenge. They are susceptible to overall buckling that induces bending moment and axial compression. This study presents the precise three-dimensional finite element modeling of slender RC columns strengthened with fiber-reinforced polymer (FRP) composites sheets with various patterns under concentric or eccentric compression. The slenderness ratio λ (height/width ratio) of the studied columns ranged from 15 to 35. First, to determine the optimal modeling procedure, nine alternative nonlinear finite element models were presented to simulate the experimental behavior of seven FRP-strengthened slender RC columns under eccentric compression. The models simulated concrete behavior under compression and tension, FRP laminate sheets with different fiber orientations, crack propagation, FRP-concrete interface, and eccentric compression. Then, the validated modeling procedure was applied to simulate 58 FRP-strengthened slender RC columns under compression with minor eccentricity to represent the inevitable geometric imperfections. The simulated columns showed two cross sections (square and rectangular), variable λ values (15, 22, and 35), and four strengthening patterns for FRP sheet layers (hoop H, longitudinal L, partial longitudinal Lw, and longitudinal coupled with hoop LH). For λ=15-22, pattern L showed the highest strengthening effectiveness, pattern Lw showed brittle failure, steel reinforcement bars exhibited compressive yielding, ties exhibited tensile yielding, and concrete failed under compression. For λ>22, pattern Lw outperformed pattern L in terms of the strengthening effectiveness relative to equivalent weight of FRP layers, steel reinforcement bars exhibited crossover tensile strain, and concrete failed under tension. Patterns H and LH (compared with pattern L) showed minor strengthening effectiveness.
Response of the pipeline crossing fault is considered as the large strain problem. Proper estimation of the pipeline response plays important role in mitigation studies. In this study, an advanced continuum modeling including material non-linearity in large strain deformations, hardening/softening soil behavior and soil-pipeline interaction is applied. Through the application of a fully nonlinear analysis based on an explicit finite difference method, the mechanics of the pipeline behavior and its interaction with soil under large strains is presented in more detail. To make the results useful in oil and gas engineering works, a continuous pipeline of two steel grades buried in two clayey soil types with four different crossing angles of 30°, 45°, 70° and 90° with respect to the pipeline axis have been considered. The results are presented as the fault movement corresponding to different damage limit states. It was seen that the maximum affected pipeline length is about 20 meters for the studied conditions. Also, the affected length around the fault cutting plane is asymmetric with about 35% and 65% at the fault moving and stationary block, respectively. Local buckling is the dominant damage state for greater crossing angle of 90° with the fault displacement varying from 0.4 m to 0.55 m. While the tensile strain limit is the main damage state at the crossing angles of 70° and 45°, the cross-sectional flattening limit becomes the main damage state at the smaller 30° crossing angles. Compared to the stiff clayey soil, the fault movement resulting 3% tensile strain limit reach up to 40% in soft clayey soil. Also, it was seen that the effect of the pipeline internal pressure reaches up to about 40% compared to non-pressurized condition for some cases.
Choi, Jin Woo;Seo, Su Hong;Joo, Hyung Joong;Yoon, Soon Jong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.5
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pp.1353-1362
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2014
In recent years, numerous environmental problems associated with the excessive use of fossil fuel are taking place. For an alternative energy resource, the importance of renewable energy and the demands of facilities to generate renewable energy are continuously rising. To satisfy such demands, a large number of photovoltaic energy generation structures are constructed and planned with large scale. However, because these facility zones are mostly constructed on land, some troubles are occurred such as rising of construction cost due to the cost of land use, environmental devastation, etc. To solve such problems, the floating type photovoltaic energy generation system using FRP members have been developed in Korea. FRP members are recently available in civil engineering applications due to many advantages such as high strength, corrosion resistance, light weight, etc. and they are suitable to fabricate the floating structures because of their material properties. In this study, the analytical and experimental investigations to evaluate the structural performance of floating PV generation structure and SMC FRP vertical member which is used to fabricate the structure were conducted. The static and dynamic performances of floating PV generation structure are evaluated through the FE analysis and the experiment, respectively. Moreover, the structural safety evaluation and buckling analysis of SMC FRP vertical compression member are also conducted by the FE analysis, and the structural behavior of SMC FRP member under compression and pullout is investigated by the experiments. From this study, it was found that the structural system composed of pultruded FRP and SMC FRP members are safe enough to resist externally applied loads.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.3
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pp.875-888
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2013
The researches have recently progressed toward the use of the superelastic shape memory alloys (SMAs) to develop new smart control systems that reduce permanent deformation occurring due to severe earthquake events and that automatically recover original configuration. The superelastic SMA materials are unique metallic alloys that can return to undeformed shape without additional heat treatments only after the removal of applied loads. Once the superelastic SMA materials are thus installed at the place where large deformations are likely to intensively occur, the structural system can make the best use of recentering capabilities. Therefore, this study is intended to propose new buckling-restrained braced frames (BRBFs) with superelastic SMA bracing systems. In order to verify the performance of such bracing systems, 6-story braced frame buildings were designed in accordance with the current design specifications and then nonlinear dynamic analyses were performed at 2D frame model by using seismic hazard ground motions. Based on the analysis results, BRBFs with innovative SMA bracing systems are compared to those with conventional steel bracing systems in terms of peak and residual inter-story drifts. Finally, the analysis results show that new SMA bracing systems are very effective to reduce the residual inter-story drifts.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.10
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pp.54-62
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2017
This paper describes the behavior and failure probability of the basic structural members in a fire for the fire safety assessment of offshore structures. A fire safety assessment can be accomplished by comparing the fire resistance of the members with the fire severity of the heat load due to fire. The fire severity is represented as the maximum temperature of the members using the Eurocode 1 standard fire curve and heat transfer equation. On the other hand, the fire resistance is the limiting temperature calculated by a simplified formula in the case of simple structural members. Considering the complexity of FPSOs and offshore structures, a general-purpose structural analysis program should be used and the limiting temperature obtained by analyzing the structural strength of the members through an elasto-plastic analysis with a large deflection, and compared with the maximum temperature. Also, the equality of these two methods of evaluating the fire resistance was confirmed by comparing them. Following three criteria, the strength, serviceability and stability, three failure modes, namely the first failure of a hinge, large deflection and buckling, were chosen. The failure temperature was verified for each failure mode. using the AFOSM method in the equation of the fire severity and fire resistance, thereby giving the failure probability of the member. By applying these processes to the example of a beam and plate, the behavior of the structure and failure (temperature?) of each failure mode can be determined.
Park Jo-Shin;Ko Jae-Yong;Lee Jun-Kyo;Bae Dong-Kyun
Proceedings of KOSOMES biannual meeting
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2005.05a
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pp.147-154
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2005
The ship plating is generally subjected to combined in-plane load and lateral pressure loads. In-plane loads include axial load and edge shear, which are mainly induced by overall hull girder bending and torsion of the vessel. Lateral pressure is due to water pressure and cargo. These load components are not always applied simultaneously, but more than one can normally exist and interact Hence, for more rational and safe design of ship structures, it is of crucial importance to better understand the interaction relationship of the buckling and ultimate strength for ship plating under combined loads. Actual ship plates are subjected to relatively small water pressure except for the impact load due to slamming and panting etc. The present paper describes an accurate and fast procedure for analyzing the elastic-plastic large deflection behavior up to the ultimate limit state of ship plates under combined loads. In this paper, the ultimate strength characteristics of plates under axial compressive loads and lateral pressure loads are investigated through ANSYS elastic-plastic large deflection finite element analysis with varying lateral pressure load level.
Chang, Jin Won;Kim, Seung Jun;Park, Jong Sup;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.4
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pp.367-381
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2007
A transmission tower was designed using the structural methodology to assume a simple truss behavior. However, there is a big difference between a simple truss behavior and a real one. A suitable explanation of structural stability is that it is a semi-rigid connection and not the assumed hinged connection. This study proposes an alternative structural-analysis modeling strategy for the transmission tower design. The element models that were considered were the truss element model, the beam element model, and the combined beam-truss element model. This study includes linear static analysis, free-vibration analysis, and elastic buckling analysis with respect to the design load. The results of the analysis indicate that the axial forces, axial stresses, and maximum displacements of the three analytical models are very similar. However, the bending moments and stresses of the beam element model and of the combined beam-truss element model are significantly high. The results of the free-vibration and elastic buckling analyses show that the beam-truss model can be conservatively used for the transmission tower design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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