We develop in this work a new well-balanced preserving-positivity path-conservative central-upwind scheme for Saint-Venant-Exner (SVE) model. The SVE system (SVEs) under some considerations, is a nonconservative hyperbolic system of nonlinear partial differential equations. This model is widely used in coastal engineering to simulate the interaction of fluid flow with sediment beds. It is well known that SVEs requires a robust treatment of nonconservative terms. Some efficient numerical schemes have been proposed to overcome the difficulties related to these terms. However, the main drawbacks of these schemes are what follows: (i) Lack of robustness, (ii) Generation of non-physical diffusions, (iii) Presence of instabilities within numerical solutions. This collection of drawbacks weakens the efficiency of most numerical methods proposed in the literature. To overcome these drawbacks a reformulation of the central-upwind scheme for SVEs (CU-SVEs for short) in a path-conservative version is presented in this work. We first develop a finite-volume method of the first order and then extend it to the second order via the averaging essentially non oscillatory (AENO) framework. Our numerical approach is shown to be well-balanced positivity-preserving and shock-capturing. The resulting scheme could be seen as a predictor-corrector method. The accuracy and robustness of the proposed scheme are assessed through a carefully selected suite of tests.
This article studies the effects of heat generation/absorption and thermal radiation on the unsteady magnetohydrodynamic (MHD) Casson fluid flow past a vertical plate through rotating porous medium with constant temperature and mass diffusion. It is assumed that the plate temperature and concentration level are raised uniformly. For finding the exact solution, a set of non-dimensional partial differential equations is solved analytically using the Laplace transform technique. The influence of various non-dimensional parameters on the velocity are discussed, including the effects of the magnetic parameter M, heat generation/absorption Q, thermal radiation parameter R, Prandtl number Pr, Schmidt number Sc, permeability of porous medium parameter, Casson fluid parameter γ, on velocity, temperature, and concentration profiles, which are discussed through several figures. It is found that velocity, temperature, and concentration profiles in the case of heat generation parameter Q, Casson fluid parameter γ, thermal Grashof number Gr, mass Grashof number Gc, Permeability Porous medium parameter K, and time t have retarding effects. It is also seen that the magnetic field M, Thermal Radiation parameter R, Prandtl field Pr, Schmidt number Sc have reverse effects on it.
Nanotechnology has emerged as a promising avenue for enhancing musical structures. In this study, we analyze the static behavior of laser harp (i.e., electronic musical instrument) reinforced with Zinc Oxide (ZnO) nanoparticles. Leveraging the piezoelectric properties of ZnO nanoparticles, the structure is subjected to an electric field for intelligent control. The electronic musical structure is situated in a foundation with vertical springs and shear modulus constants. We employ the exponential Shear Deformation Beam Theory (ESDBT) to mathematically model the structure. A micro-electro-mechanical model is employed to determine the equivalent properties of the system. By utilizing nonlinear stress-strain relations, energy methods, and Hamilton's principle, we derive the motion equations. The buckling load of the electronic musical beam is calculated using the Difference Quadrature Method (DQM). The primary objective of this study is to present a mathematical model for electronic musical beams and determining the buckling load of the structure and to investigate the influence of nanotechnology and electric fields on its buckling behavior. The buckling is the case when the structure becomes deforms and unstable. Our findings reveal that the application of negative external voltage to the electronic musical structure increases both the stiffness and the buckling load of the musical system. Furthermore, reinforcing the electronic musical structure with ZnO nanoparticles results in an increased buckling load. Notably, the maximum enhancement in the 28-day compressive and tensile strengths of samples containing zinc oxide nanoparticles compared to the control sample resulting in increases of 18.70% and 3.77%, respectively.
This study investigates the buckling behavior of CNTRC beams on a Winkler-Pasternak elastic foundation, considering their stiffness. To achieve the highest accuracy, the shear stiffness is taken into account based on the Higher-order Shear Deformation Theory (HSDT). A novel exponential power-law distribution of the CNT volume fraction across the beam thickness is employed to model CNTRC beams. Various reinforcement patterns are incorporated into the polymer matrix, featuring single-walled carbon nanotubes (SWCNT) that are both aligned and distributed. The effective mechanical properties of the CNTRC beam are predicted using the rule of mixtures. Hamilton's principle is applied to derive the differential equations of motion. This theoretical framework enables the validation of the approach by comparing numerical simulation results with previous studies. The impact of the exponent order (n), CNT volume fraction, geometrical ratio, and Winkler-Pasternak parameters on buckling analysis is thoroughly presented and discussed. The results indicate that, among the different types of analyzed CNTRC beams, the X-Beam pattern demonstrates the highest buckling load capacity.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.4
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pp.73-86
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1998
The purpose of this paper is to evaluate the shear stiffness, hysteretic behavior, and ultimate behavior of HDRB(High Damping Rubber Bearing), which will be included in the seismic isolation design guideline as requirements. To do this, two 1/8 scaled HDRB are designed, fabricated, and tested to show the mechanical characteristics. The shear stiffness obtained from the proposed equation of the shear stiffness shows a good agreement with those of the experiments. For analysis of the hysteretic behavior of HDRB using the modified rate model, the parameter equations are obtained from the experiments. Using the obtained parameter equations for the modified rate model, the seismic response analyses are carried out for 1-D system. The results of analysis well follow the hysteretic behavior of HDRB obtained from the experiments. To evaluate the ultimate behavior of HDRB used in this paper, the analyses are carried out using the modified macro model, which can consider the large shear deflection. The critical shear strain(CSS) is defined to express the maximum allowable shear strain and vertical load. From the analyses, the CSS, showing the instability, decreases significantly as increased the vertical loads. The CSS is not appeared for the design vertical load in the used HDRB. In analysis using about 5 times of design vertical load, the HDRB start to show the instability transient and for about 7 times, the CSS is about 350%.
The multi-span suspension bridge generally has more than three towers and two main spans. To economically and effectively design a multi-span suspension bridge, the proper stiffness ratio of the center tower to the side tower must be determined. This study was conducted to propose a method of figuring out briefly the structural behavior of the towers in a multi-span suspension bridge. In the equivalent suspension bridge model, the main cable of the multi-span suspension bridge is idealized as an equivalent cable spring, and the external loads of horizontal and vertical forces that were calculated using the tensile forces of the main cable were applied on top of the towers. The equilibrium equations of the equivalent multi-span suspension bridge model were derived and the equations were solved via nonlinear analysis. To verify the proposed method, a sample four-span suspension bridge with a main span length of 3,000 m was analyzed using thefinite element method. The displacements and moment reactions of each tower in the proposed method were compared with the FEM analysis results. Consequently, the results of the analysis of the equivalent suspension bridge model tended to be consistent with the results of the FEM analysis.
A theoretical analysis was carried out to examine the concentration behavior of methane from a biogas using a polysulfone membrane. After the governing equations were derived for the cocurrent flow mode in a membrane module, the coupled nonlinear differential equations were numerically solved with the Compaq Visual Fortran 6.6 software. At the typical operating condition of mole fraction of 0.7 in a feed stream, the mole fraction of methane in the retentate increased to 0.76 while the normalized retentate flow rate to the feed flow rate decreased from 1 to 0.79. When either the mole fraction of methane in a feed increased or the pressure of the feed stream increased, the methane mole fraction in the retentate increased. On the other hand, it was found that as either the membrane area decreased or the ratio of the permeate pressure to the feed pressure increased, the methane mole fraction in the retentate decreased. In case that the stage cut increased, the methane mole fraction in the retentate increased while the recovery of methane slightly decreased.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.1
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pp.39-48
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2015
Reinforced concrete (RC) structures strengthened with FRP materials would cause the loss of the reinforcing effect and the sudden failure of the structure due to the debonding of FRP. The debonding fracture strength of the FRP-strengthened concrete structures has been evaluated using the same strength method as applied in RC structures based on the debonding strain of FRP. However, the values of the FRP debonding strain are different according to design guidelines. Thus, this study carried out an experimental study on RC beams reinforced with GFRP and evaluated the debonding fracture strength of the strengthened beams from each design guideline. Since the debonding failure occurs prior to reaching the ultimate value of concrete compressive strain, this study accounts for the nonlinear stress distribution of concrete. This study also proposed equations that can evaluate the debonding strength of GFRP-strengthened RC beams with similar safety to the ultimate flexural strength of non-strengthened RC beams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.1
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pp.231-243
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1994
A stochastic programming model for river water quality management was developed. River water quality, river flow, quality and flowrate of the wastewater treatment plant inflow were treated as random variables in the model. Withdrawal for water supply and submerged weir reaeration were included in the model itself. A probabilistic model was formulated to compute the expectation and variance of water quality using Streeter-Phelps equation. Chance constraints of the optimization problem were converted to deterministic equivalents by chance constrained method. Objective function was total annual treatment cost of all wastewater treatment plants in the region. Construction cost function and O & M cost function were derived in the form of nonlinear equations that are functions of treatment efficiency and capacity of treatment plant. The optimization problem was solved by nonlinear programming. This model was applied to the lower Han River. The results show that the reliability to meet the DO standards of the year 1996 is about 50% when the treatment level of four wastewater treatment plants in Seoul is secondary treatment, and BOD load from the tributary inflows is the same as present time. And when BOD load from Tanchon, Jungrangchon, and Anyangchon is decreased to 50%, the reliability to meet the DO standards of the year 1996 is above 60%. This results indicated that for the sake of the water quality conservation of the lower Han River, water quality of the tributaries must be improved, and at least secondary level of treatment is required in the wastewater treatment plants.
The setting and hardening of concrete is accompanied with nonlinear temperature distribution caused by development of hydration heat of cement. Especially at early ages, this nonlinear distribution has a large influence on the crack evolution. As a result, in order to predict the exact temperature history in concrete structures it is required to examine thermal properties of concrete. In this study, the coefficient of air convection, which presents thermal transfer between surface of concrete and air, was experimentally investigated with variables such as velocity of wind and types of form. From experimental results, the coefficient of air convection was calculated using equations of thermal equilibrium. Finally, the prediction model for equivalent coefficient of air convection including effects of velocity of wind and types of form was theoretically proposed. The coefficient of air convection in the proposed model increases with velocity of wind, and its dependance on wind velocity is varied with types of form. This tendency is due to a combined heat transfer system of conduction through form and convection to air. From comparison with experimental results, the coefficient of air convection by this model was well agreed with those by experimental results.
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