Most of the practical engineering structures exhibit nonlinearity due to nonlinear dynamic characteristics of structural joints, nonlinear boundary conditions and nonlinear material properties. Hence, it is highly desirable to detect and characterize the nonlinearity present in the system in order to assess the true behaviour of the structural system. Further, these identified nonlinear features can be effectively used for damage diagnosis during structural health monitoring. In this paper, we focus on the detection of the nonlinearity present in the system by confining our discussion to only a few selective time-frequency analysis and multivariate analysis based techniques. Both damage induced nonlinearity and inherent structural nonlinearity in healthy systems are considered. The strengths and weakness of various techniques for nonlinear detection are investigated through numerically simulated two different classes of nonlinear problems. These numerical results are complemented with the experimental data to demonstrate its suitability to the practical problems.
A number of studies have suggested that the use of high ductile and high shear materials, such as Engineered Cementitious Composites (ECC) and High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites (HPFRCC), significantly enhances the shear capacity of structural elements, even with/without shear reinforcements. The present study emphasizes the development of a nonlinear model of shear behaviour of a HPFRCC panel for application to the seismic retrofit of reinforced concrete buildings. To model the shear behaviour of HPFRCC panels, the original Modified Compression Field Theory (MCFT) for conventional reinforced concrete panels has been newly revised for reinforced HPFRCC panels, and is referred to here as the HPFRCC-MCFT model. A series of experiments was conducted to assess the shear behaviour of HPFRCC panels subjected to pure shear, and the proposed shear model has been verified through an experiment involving panel elements under pure shear. The proposed shear model of a HPFRCC panel has been applied to the prediction of seismic retrofitted reinforced concrete buildings with in-filled HPFRCC panels. In retrofitted structures, the in-filled HPFRCC element is regarded as a shear spring element of a low-rise shear wall ignoring the flexural response, and reinforced concrete elements for beam or beam-column member are modelled by a finite plastic hinge zone model. An experimental study of reinforced concrete frames with in-filled HPFRCC panels was also carried out and the analysis model was verified with correlation studies of experimental results.
This paper deals with dynamic behaviour analysis for pipeline inspection gauge (PIG) flow control in natural gas pipeline. The dynamic behaviour of the PIG is depending on the different Pressure between the rear and nose parts, which is generated by injected gas flow behind PIG's tail and expelled gas flow in front of its nose. To analyze the dynamic behaviour characteristics such as gas flow in pipeline, and the PIG's position and velocity, mathematical model is derived as two types of a nonlinear hyperbolic partial differential equation for unsteady flow analysis of the PIG driving and expelled gas, and nonhomogeneous differential equation for dynamic analysis of PIG. The nonlinear equation is solved by method of characteristics (MOC) with the regular rectangular grid under appropriate initial and boundary conditions. The Runge-Kuta method is used when we solve the steady flow equations to get initial flow values and the dynamic equation of PIG. The gas upstream and downstream of PIG are divided into a number of elements of equal length. The sampling time and distance are chosen under Courant-Friedrich-Lewy (CFL) restriction. The simulation is performed with a pipeline segment in the Korea Gas Corporation (KOGAS) low pressure system, Ueijungboo-Sangye line. The simulation results show us that the derived mathematical model and the proposed computational scheme are effective for estimating the position and velocity of PIG with different operational conditions of pipeline.
최근 박판두재인 고장력강이 구조물에 폭넓게 사용됨으로서 좌굴이 발생하기 쉽다. 특히 고장력강을 사용하는 선체구조물에서는 좌굴은 중요한 설계기준이 되고 있다. 따라서 좌굴발생 후 거동을 정확하게 파악하는 것은 선체구조의 안정성에 중요하다. 본 연구에서는 선체의 대표적인 구조물인 판을 대상으로 각 선급 룰에서 좌굴강도식의 기준으로 삼고 있는 단순지지조건에서의 여러 가지 항복강도에 따라 압축하중을 받는 박판구조물의 초기좌굴 후 거동과 2차좌굴 후 거동에 대해서 규명하였다. 해석방법으로는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하였고 2차좌굴과 같은 복잡한 비선형거동을 해석하기 위하여 호장증분법(Arc-length method)을 사용하였다.
This paper presents a discussion of the Finite Element Analysis (FEA) when applied for the analysis of concrete elements reinforced with glass fibre reinforced polymer (GFRP) bars. The purpose of such nonlinear FEA model development is to create a tool that can be used for numerical parametric studies which can be used to extend the existing (and limited) experiment database. The presented research focuses on the numerical analyses of concrete beams reinforced with GFRP longitudinal and shear reinforcements. FEA of concrete members reinforced with linear elastic brittle reinforcements (like GFRP) presents unique challenges when compared to the analysis of members reinforced with plastic (steel) reinforcements, which are discussed in the paper. Specifically, the behaviour and failure of GFRP reinforced members are strongly influenced by the compressive response of concrete and thus modelling of concrete behaviour is essential for proper analysis. FEA was performed using the commercial software ABAQUS. A damaged-plasticity model was utilized to simulate the concrete behaviour. The influence of tension, compression, dilatancy, mesh, and reinforcement modelling was studied to replicate experimental test data of beams previously tested at the University of Waterloo, Canada. Recommendations for the finite element modelling of beams reinforced with GFRP longitudinal and shear reinforcements are offered. The knowledge gained from this research allows for the development of a rational methodology for modelling GFRP reinforced concrete beams, which subsequently can be used for extensive parametric studies and the formation of informed recommendations to design standards.
This paper presents a displacement-based seismic design method with damage control, in which the targets for the considered performance level are set as displacements and a damage distribution is proposed by the designer. The method is based on concepts of basic structural dynamics and of a reference single degree of freedom system associated to the fundamental mode with a bilinear behaviour. Based on the characteristics of this behaviour curve and on the requirements of modal spectral analysis, the stiffness and strength of the structural elements of the structure satisfying the target design displacement are calculated. The formulation of this method is presented together with the formulations of two other existing methods currently considered of practical interest. To illustrate the application of the proposed method, 5 reinforced concrete plane frames: 8, 17 and 25 storey regular, and 8 and 12 storey irregular in elevation. All frames are designed for a seismic demand defined by single earthquake record in order to compare the performances and damage distributions used as design targets with the corresponding results of the nonlinear step by step analyses of the designed structures subjected to the same seismic demand. The performances and damage distributions calculated with these analyses show a good agreement with those postulated as targets.
To investigate the structural behaviour of grouped tanks under wind loads, 2 problems need to be figured out, wind pressures on tank shells and critical loads of the shell under these pressure distribution patterns. Following the wind tunnel tests described in the companion paper, this paper firstly seeks to obtain wind loads on the external wall in a squarely-arranged cylindrical tank group by numerical simulation, considering various layouts. The outcomes demonstrate that the numerical method can provide similar results on wind pressures and better insights on grouping effects through extracted streamlines. Then, geometrically nonlinear analyses are performed using several selected potentially unfavourable wind pressure distributions. It is found that the critical load is controlled by limit point buckling when the tank is empty while excessive deformations when the tank is full. In particular, significant reductions of wind resistance are found on grouped full tanks compared to the isolated tank, considering both serviceability and ultimate limit state, which should receive special attention if the tank is expected to resist severe wind loads with the increase of liquid level.
This paper presents the axial compressive behaviour of stub concrete-filled columns with elliptical stainless steel and carbon steel hollow sections. The finite element method developed via ABAQUS/Standard solver was used to carry out the simulations. The accuracy of the FE modelling and the proposed confined concrete stress-strain model were verified against experimental results. A parametric study on stub concrete-filled columns with various elliptical hollow sections made with stainless steel and carbon steel was conducted. The comparisons and analyses presented in this paper outline the effect of hollow sectional configurations to the axial compressive behaviour of elliptical concrete-filled steel tubular columns, especially the merits of using stainless steel hollow sections is highlighted.
Numerical analysis of large amplitude free vibration behaviour of laminated composite spherical shell panel embedded with the piezoelectric layer is presented in this article. For the investigation purpose, a general nonlinear mathematical model has been developed using higher order shear deformation mid-plane kinematics and Green-Lagrange nonlinearity. In addition, all the nonlinear higher order terms are included in the present mathematical model to achieve any general case. The nonlinear governing equation of freely vibrated shell panel is obtained using Hamilton's principle and discretised using isoparametric finite element steps. The desired nonlinear solutions are computed numerically through a direct iterative method. The validity of present nonlinear model has been checked by comparing the responses to those available published literature. In order to examine the efficacy and applicability of the present developed model, few numerical examples are solved for different geometrical parameters (fibre orientation, thickness ratio, aspect ratio, curvature ratio, support conditions and amplitude ratio) with and/or without piezo embedded layers and discussed in details.
In this article, nonlinear free vibration behaviour of functionally graded spherical panel is analysed. A nonlinear mathematical model is developed based on higher order shear deformation theory for shallow shell by taking Green-Lagrange type of nonlinear kinematics. The material properties of functionally graded material are assumed to be varying continuously in transverse direction and evaluated using Voigt micromechanical model in conjunction with power-law distribution. The governing equation of the shell panel is obtained using Hamilton's principle and discretised with the help of nonlinear finite element method. The desired responses are evaluated through a direct iterative method. The present model has been validated by comparing the frequency ratio (nonlinear frequency to linear frequency) with those available published literatures. Finally, the effect of geometrical parameters (curvature ratio, thickness ratio, aspect ratio and support condition), power law indices and amplitude of vibration on the frequency ratios of spherical panel have been discussed through numerical experimentations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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