Evaluation of tunnel performance in seismic-prone areas demands efficient means of estimating performance at different hazard levels. The present study introduces an innovative push-over analysis approach which employs the standard earthquake spectrum to simulate the performance of a tunnel. The numerical simulation has taken into account the lining and surrounding rock to calculate the rock-tunnel interaction subjected to a static push-over displacement regime. Elastic perfectly plastic models for the lining and hardening strain rock medium were used to portray the development of plastic hinges, nonlinear deformation, and performance of the tunnel structure. Separately using a computational algorithm, the non-linear response spectrum was approximated from the average shear strain of the rock model. A NATM tunnel in Turkey was chosen for parametric study. A seismic performance curve and two performance thresholds are introduced that are based on the proposed nonlinear seismic static loading approach and the formation of plastic hinges. The tunnel model was also subjected to a harmonic excitation with a smooth response spectrum and different amplitudes in the fully-dynamic phase to assess the accuracy of the approach. The parametric study investigated the effects of the lining stiffness and capacity and soil stiffness on the seismic performance of the tunnel.
In this paper, the modified couple stress theory (MCST) and first order shear deformation theory (FSDT) are employed to investigate the free vibration and bending analyses of a three-layered micro-shell sandwiched by piezoelectric layers subjected to an applied voltage and reinforced graphene nanoplatelets (GPLs) under external and internal pressure. The micro-shell is resting on an elastic foundation modeled as Pasternak model. The mixture's rule and Halpin-Tsai model are utilized to compute the effective mechanical properties. By applying Hamilton's principle, the motion equations and associated boundary conditions are derived. Static/ dynamic results are obtained using Navier's method. The results are validated with the previously published works. The numerical results are presented to study and discuss the influences of various parameters on the natural frequencies and deflection of the micro-shell, such as applied voltage, thickness of the piezoelectric layer to radius, length to radius ratio, volume fraction and various distribution pattern of the GPLs, thickness-to-length scale parameter, and foundation coefficients for the both external and internal pressure. The main novelty of this work is simultaneous effect of graphene nanoplatelets as reinforcement and piezoelectric layers on the bending and vibration characteristics of the sandwich micro shell.
Bui Manh Cuong;Abdelouahed Tounsi;Do Van Thom;Nguyen Thi Hai Van;Phung Van Minh
Computers and Concrete
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v.33
no.1
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pp.91-102
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2024
Beam-shaped components commonly rotate along a fixed axis when massive mechanical structures like rotors, jet engine blades, motor turbines, and rotating railway crossings perform their functions. For these structures to be useful in real life, their mechanical behavior is essential. Therefore, this is the first article to use the modified shear deformation theory type hyperbolic sine functions theory and the FEM to study the static bending response of rotating functionally graded GPL-reinforced composite (FG-GPLRC) beams with initial geometrical deficiencies in thermal media. Graphene platelets (GPLs) in three different configurations are woven into the beam's composition to increase its strength. By comparing the numerical results with those of previously published studies, we can assess the robustness of the theory and mechanical model employed in this study. Parameter studies are performed to determine the effect of various geometric and physical variables, such as rotation speed and temperature, on the bending reactions of structures.
In the present work, the deformation and stresses induced in a functionally graded disk have been reported for different loading conditions. The governing differential equation is solved using the classical method namely Navier's method by considering thermal and mechanical boundary conditions at the surface of the disk. To simplify solving the second-order differential equation, a plane stress condition was assumed. Following validation using a one-dimensional steady-state heat condition problem, temperature variations were computed for constant heat generation and varying conductivity. The research aims to investigate both the individual and combined effects of rotation, gravity, and temperature with constant heat generation on a hollow disk operating under complex loading conditions. The results demonstrated a high degree of accuracy when compared with those in existing literature. Material properties, such as Young's modulus, density, conductivity, and thermal expansion coefficient, were modeled using a power law variation along the disk's radius by considering aluminum as a base material. The proposed analytical method is straightforward, providing valuable insights into the behavior of disks under various loading conditions. This method is particularly useful for researchers and industries in selecting appropriate loading conditions and grading parameters for engineering applications, including aerospace components, energy systems, and rotary machinery parts.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.31
no.5
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pp.529-535
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2011
In this study, evaluation of acoustic emission signals characteristics for the post weld heat treated (PWHT) multi-pass weldment and weldment was dealt. Charpy standard specimens were taken from the lowest, middle and highest regions of the weld block. Pre-crack was made using the repeated load. Four point bend and AE tests were conducted simultaneously. Regardless of the specimens, AE signals were absent within elastic region and produced in the process of plastic deformation. AE signals for all specimens were not emitted after the maximum load. Value of signal strength for the all PWHT specimens was lower than that of the weldment. Besides, relations of plastic deformation zone size and accumulated AE counts for the PWHT specimens were more simple compared with the weldment. In case of the PWHT specimen, particles on the fractured surface decreased prominently compared with the weldment due.to PWHT. From these results, it can be concluded that PWHT was effective in reducing the AE sources for the weldment.
Coarse granular geomaterials containing large gravels are broadly used for construction of large geotechnical systems such as dams, levees, railways and backfills. It is necessary to evaluate deformation characteristics of these materials for dynamic analysis, e.g. seismic design. This study presents evaluation of dynamic deformation characteristics of coarse materials using large scale resonant column testing apparatus, which uses specimens with 200 mm in diameter and 400 mm in height, and the effects of gradation characteristics on maximum shear modulus, shear modulus reduction curve and damping characteristics were investigated. From experimental study using rock-fill materials for a dam, we could see that the largest or mean particle size affects the shape of shear modulus reduction curve. When the specimens are prepared under the same conditions for maximum particle size, the coefficient of uniformity affects the confining stress exponent of maximum shear modulus. It could be concluded that the maximum particle size is an factor which affects shear modulus reduction curve, and that the coefficient of uniformity is for small strain shear modulus, especially for the sensitivity to confining stress.
Structures show the phehomena of deformation and lowering of function with time-lapse by artificial environments and changes of geotechnical conditions or accumulation of initial deformation elements. This study aims the structural assessment of cultural property, Chum-Sung-Dae, located in Kyeongju city, Korea. It was built about 1,300 years ago, and has undergone deformation and ground-subsidence with time-lapse. Non-destructive evaluation techniques were applied to the Chum-Sung-Dae, to protect it from survey Because of this reason, 3D precise laser scanning surveying system was applied to measure the exact size of Chum-Sung-Dae, displacement and declining angles. Geophysical exploration also was applied to study the subsurface distribution of geotechnical parameters or physical properties. Natural frequencies were measured from real and model of Chum-Sung-Dae to study the dynamic characteristics of vibration and/or earthquake load and stiffness of structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.1
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pp.37-44
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2019
A bond-based peridynamic model has been reported dynamic fracture characteristic of brittle materials through a simple constitutive model. In the model, each bond is assumed to be a simple spring operating independently. As a result, this simple bond interaction modeling restricts the material behavior having a fixed Poisson's ratio of 1/4 and not being capable of expressing shear deformation. We consider a state-based peridynamics as a generalized peridynamic model. Constitutive models in the state-based peridynamics are corresponding to those in continuum theory. In state-based peridynamics, thus, the response of a material particle depends collectively on deformation of all bonds connected to other particles. So, a state-based peridynamic theory can represent the volume and shear changes of the material. In this paper, the perfect plasticity is considered to express plastic deformation of material by the state-based peridynamic constitutive model with perfect plastic flow rule. The elastic-plastic behavior of the material is verified through the stress-strain curves of the flat plate example. Furthermore, we simulate the high-speed impact on 3D granite model with a nonlocal contact modeling. It is observed that the damage patterns obtained by peridynamics are similar to experimental observations.
Rigid-soft particle mixtures, which consist of sand and rubber, are investigated for the understanding of the stress-deformation and elastic moduli. Specimens are prepared with various size ratio sr between sand and rubber particles, and different volumetric sand fraction sf. Small strain shear waves are measured under $K_o$-loading condition incorporated with the stress-deformation test by using oedometer cell with bender elements. The stress-deformation and small strain shear wave characteristics of rigid-soft particle mixtures show the transition from a rigid particle behavior regime to a soft particle behavior regime under fixed size ratio. A sudden rise of $\Lambda$ factor and the maximum value of the $\zeta$ exponent in $G_{max}=\;{\Lambda}({\sigma}'_{o}/kPa)^{\zeta}$ are observed at $sf\;{\approx}\;0.4{\sim}0.6$ regardless of the size ratio sf. Transition mixture shows high sensitivity to confining stress. The volume fraction for the minimum porosity may depend on the applied stress level in the rigid-soft particle mixtures because the soft rubber particles easily distort under load. In this experimental study, the size ratio and volumetric sand fraction are the important factors which determine the behavior of rigid and soft particle mixtures.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.1
no.1
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pp.53-68
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1981
Most clays under sustained load exhibit time-dependent deformation because of creep movement of soil particles and many investigators have attempted to relate their findings to the creep behavior of natural ground and to the long-term stability of slopes. Since the creep behavior of clays may assume a variety of forms depending on such factors as soil plasticity, activity and water content, it is difficult and complicated to analyse the creep behavior of clays. Rheological models composed of linear springs in combination with linear or nonlinear dashpots and sliders, are generally used for the mathematical description of the time-dependent behavior of soils. Most rheological models, however, have been proposed to simulate the behavior of secondary compression for saturated clays and few definitive data exist that can evaluate the behavior of non-saturated clays under the action of sustained stress. The clays change gradually from a solid state through plastic state to a liquid state with increasing water content, therefore, the rheological models also change. On the other hand, creep is time-dependent, and also the effect of thixotropy is time-function. Consequently, there may be certain correlations between creep behavior and the effects of thixotropy in compacted clays. In addition, the states of clay depend on water content and hence the height of the specimen under drained conditions. Futhermore, based on present and past studies, because immediate elastic deformation occurs instantly after the pressure increment without time-delayed behavior, the factor representing immediate elastic deformations in the rheological model is necessary. The investigation described in this paper, based on rheological model, is designed to identify the immediate elastic deformations and the effects of thixotropy and height of clay specimens with varing water content and stress level on creep deformations. For these purposes, the uniaxial drain-type creep tests were performed. Test results and data for three compacted clays have shown that a linear top spring is needed to account for immediate elastic deformations in the rheological model, and at lower water content below the visco-plastic limit, the effects of thixotropy and height of clay specimens can be represented by the proposed rheological model not considering the effects. Therefore, the rheological model does not necessitate the other factors representing these effects. On the other hand, at water content higher than the visco-plastic limit, although the state behavior of clays is visco-plastic or viscous flow at the beginning of the test, the state behavior, in the case of the lower height sample, does not represent the same behavior during the process of the test, because of rapid drainage. In these cases, the rheological model does not coincide with the model in the case of the higher specimens.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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