Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.5
no.3
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pp.57-64
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2001
For the dynamic nonlinear analysis of stiffened plate and shell structures, total Lagrangian formulation is presented based upon the degenerated shell element considering finite rotation effects. Assumed strain concept is adopted in order to overcome shear locking phenomena and to eliminate spurious zero energy mode. In the elasto-plastic analysis, the return mapping algorithm based on the consistent elasto-plastic tangent modulus is applied to collapse analysis of shell structures. Newmark integration method is used for dynamic nonlinear analysis of shell structures under dynamic forces.
Using a strain-controlled rheometer, the dynamic viscoelastic properties of aqueous xanthan gum solutions with different concentrations were measured over a wide range of strain amplitudes and then the linear viscoelastic behavior in small amplitude oscillatory shear flow fields was investigated over a broad range of angular frequencies. In this article, both the strain amplitude and concentration dependencies of dynamic viscoelastic behavior were reported at full length from the experimental data obtained from strain-sweep tests. In addition, the linear viscoelastic behavior was explained in detail and the effects of angular frequency and concentration on this behavior were discussed using the well-known power-law type equations. Finally, a fractional derivative model originally developed by Ma and Barbosa-Canovas (1996) was employed to make a quantitative description of a linear viscoelastic behavior and then the applicability of this model was examined with a brief comment on its limitations. Main findings obtained from this study can be summarized as follows: (1) At strain amplitude range larger than 10%, the storage modulus shows a nonlinear strain-thinning behavior, indicating a decrease in storage modulus as an increase in strain amplitude. (2) At strain amplitude range larger than 80%, the loss modulus exhibits an exceptional nonlinear strain-overshoot behavior, indicating that the loss modulus is first increased up to a certain strain amplitude(${\gamma}_0{\approx}150%$) beyond which followed by a decrease in loss modulus with an increase in strain amplitude. (3) At sufficiently large strain amplitude range (${\gamma}_0>200%$), a viscous behavior becomes superior to an elastic behavior. (4) An ability to flow without fracture at large strain amplitudes is one of the most important differences between typical strong gel systems and concentrated xanthan gum solutions. (5) The linear viscoelastic behavior of concentrated xanthan gum solutions is dominated by an elastic nature rather than a viscous nature and a gel-like structure is present in these systems. (6) As the polymer concentration is increased, xanthan gum solutions become more elastic and can be characterized by a slower relaxation mechanism. (7) Concentrated xanthan gum solutions do not form a chemically cross-linked stable (strong) gel but exhibit a weak gel-like behavior. (8) A fractional derivative model may be an attractive means for predicting a linear viscoelastic behavior of concentrated xanthan gum solutions but classified as a semi-empirical relationship because there exists no real physical meaning for the model parameters.
In this study, the limit range of input acceleration was investigated based on time domain and response spectrum analyses by considering the relative density, groundwater depth, and soil type. Special attention was paid to the input acceleration and shear modulus of soil, which affect pile behavior. The surrounding soil was identified as an elastoplastic material and subjected to FLAC3D analysis using the Mohr-Coulomb and Finn models as well as FB-Multiplier analysis using a nonlinear p-y curve for soil spring. Based on the analyses, the limit range of acceleration on the pile is much higher for SP soil than for SM soil, and the groundwater level tends to reduce the limit range of input acceleration, irrespective of soil conditions. The limit range of acceleration was mainly affected by the shear modulus. The limit range of acceleration with nonlinear soil behavior is proportional to the relative density of the surrounding soil.
Park, Chul-Soo;Kim, Eun-Jung;Oh, Sang-Hoon;Kim, Hak-Sung;Mok, Young-Jin
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.10a
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pp.1404-1414
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2008
In the mechanistic-empirical trackbed design of railways, the resilient modulus is the key input parameter. This study focused on the resilient modulus prediction model, which is the functions of mean effective principal stress and axial strain, for three types of railroad trackbed materials such as crushed stone, weathered soil, and crushed-rock soil mixture. The model is composed with the maximum Young's modulus and nonlinear values for higher strain in parallel with dynamic shear modulus. The maximum values is modeled by model parameters, $A_E$ and the power of mean effective principal stress, $n_E$. The nonlinear portion is represented by modified hyperbolic model, with the model parameters of reference strain, ${\varepsilon}_r$ and curvature coefficient, a. To assess the performance of the prediction models proposed herein, the elastic response of a test trackbed near PyeongTaek, Korea was evaluated using a 3-D nonlinear elastic computer program (GEOTRACK) and compared with measured elastic vertical displacement during the passages of freight and passenger trains. The material types of sub-ballasts are crushed stone and weathered granite soil, respectively. The calculated vertical displacements within the sub-ballasts are within the order of 0.6mm, and agree well with measured values with the reasonable margin. The prediction models are thus concluded to work properly in the preliminary investigation.
The Bair & Winer's limiting shear stress rheological model is incorporated into the Reynolds equation to successfully predict the traction and film thickness for an isothermal line contact using the primary rheological properties. The modified WLF viscosity model and Barus viscosity model are also adapted for the realistic prediction of EHD tractional behavior. The influences of the limiting shear stress and slide-roll ratio on the pressure spike, film thickness, distribution of shear stress and nonlinear variation of traction are examined. A good agreement between the disc machine experiments and numerical traction prediction has been established. The film thickness due to non-Newtonian effects does not deviate significantly from the fdm thicknesss with Newtonian lubricant.
The coupled soil-pile-structure seismic response is recently in the spotlight of researchers because of its extensive applications in the different fields of engineering such as bridges, offshore platforms, wind turbines, and buildings. In this paper, a simple analytical model is developed to evaluate the dynamic performance of seismically isolated bridges considering triple interactions of soil, piles, and bridges simultaneously. Novel expressions are proposed to present the dynamic behavior of pile groups in inhomogeneous soils with various shear modulus along with depth. Both cohesive and cohesionless soil deposits can be simulated by this analytical model with a generalized function of varied shear modulus along the soil depth belonging to an inhomogeneous stratum. The methodology is discussed in detail and validated by rigorous dynamic solution of 3D continuum modeling, and time history analysis of centrifuge tests. The proposed analytical model accuracy is guaranteed by the acceptable agreement between the experimental/numerical and analytical results. A comparison of the proposed linear model results with nonlinear centrifuge tests showed that during moderate (frequent) earthquakes the relative differences in responses of the superstructure and the pile cap can be ignored. However, during strong excitations, the response calculated in the linear time history analysis is always lower than the real conditions with the nonlinear behavior of the soil-pile-bridge system. The current simple and efficient method provides the accuracy and the least computational costs in comparison to the full three-dimensional analyses.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.286-300
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2006
Nonlinear cross-anisotropic properties of soil is critical for exact numerical simulation. Theoretically, initial cross-anisotropic properties can be evaluated from triaxial tests with bender element tests, and nonlinear cross-anisotropic properties over initial strain level cannot be evaluated from triaxial tests. In this study, a supposed condition among nonlinear cross-anisotropic properties is suggested to calculate nonlinear cross-anisotropic properties from triaxial tests. Maximum strain and incremental strain energy are applied to combine triaxial test results and theoretical normalized shear modulus curve, respectively Based on combined results, nonlinear cross-anisotropic properties are calculated. Numerical simulation for triaxial tests Is carried out to verify the applicability of the supposed condition with calculated cross-anisotropic properties and simplified nonlinear cross-anisotropic model.
Lead-rubber bearings (LRBs) have been used worldwide in seismic design of buildings and bridges owing to their stable mechanical properties and good isolation effect. We have investigated the effectiveness of LRBs in framed underground structures on controlling structural seismic responses. Nonlinear dynamic time history analyses were carried out on the well-documented Daikai Station, which collapsed during the 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake. Influences of strength ratio (ratio of yield strength of LRBs to yield strength of central column) and shear modulus of rubber on structural seismic responses were studied. As a displacement-based passive energy dissipation device, LRBs reduce dynamic internal forces of framed underground structures and improve their seismic performance. An optimal range of strength ratios was proposed for the case presented. Within this range, LRBs can dissipate maximum input earthquake energy. The maximum shear and moment of the central column can achieve more than 50% reduction, whereas the maximum shear displacement of LRBs is acceptable.
The effects of particle size distribution on the magnetorheological response of inverse ferrofluids was investigated using controlled mixtures of two monodisperse non-magnetisable powders of sizes $4.6\;{\mu}m\;and\;80{\mu}m$ at constant volume fraction of 30%, subjected to large amplitude oscillatory shear flow. In the linear viscoelastic regime (pre-yield region), it was found that the storage and loss moduli were dependent on the particle size as well as the proportion of small particles, with the highest storage modulus occurring for the monodisperse small particles. In the nonlinear regime (post yield region), Fourier analysis was used to compare the behaviour of the $1^{st}\;and\;3^{rd}$ harmonics ($I_{1}\;and\;I_{3}\;respectively$) as well as the fundamental phase angle as functions of the applied strain amplitude. The ratio of $I_{3}/I_{1}$ was found to become more pronounced with decreasing particle size as well as with increasing proportion of small particles in the bidisperse mixtures. Furthermore, the phase angle was able to clearly show the transition from solid-like to viscous behaviour. The results suggested that the nonlinear response of a bidisperse IFF is dependent on particle size as well as the proportion of small particles in the system.
Objection of this study is to present the three-dimensional material nonlinear analysis of reinforced concrete. A concrete is idealized with three-dimensional 16-node solid element including triaxial nonlinear stress-strain behavior, cracking, crushing and strain softening: a steel with three-dimensional 3 node truss element including elastic-plastic behavior with strain hardening. The cracked shear retention factor is introduced to estimate the effective shear modulus con sidering aggregate interlock after c:racking and a modified newton method is used to obtain a nu merical solution. Numerical results in a gauss point is displayed graphically. Numerical examples of Krahl's reinforced concrete beam and Hedgreds shell are selected to compare with the experimental and numerical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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