Seyed Mohammad Mojtabaei;Rasoul Khandan;Iman Hajirasouliha
Steel and Composite Structures
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v.51
no.4
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pp.441-456
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2024
This paper aims to develop Machine Learning (ML) algorithms to predict the buckling resistance of cold-formed steel (CFS) channels with restrained flanges, widely used in typical CFS sheathed wall panels, and provide practical design tools for engineers. The effects of cross-sectional restraints were first evaluated on the elastic buckling behaviour of CFS channels subjected to pure axial compressive load or bending moment. Feedforward multi-layer Artificial Neural Networks (ANNs) were then trained on different datasets comprising CFS channels with various dimensions and properties, plate thicknesses, and restraining conditions on one or two flanges, while the elastic distortional buckling resistance of the elements were determined according to the Finite Strip Method (FSM). To develop less biased networks and ensure that every observation from the original dataset has the chance of appearing in the training and test set, a K-fold cross-validation technique was implemented. In addition, the hyperparameters of the ANNs were tuned using a grid search technique to provide ANNs with optimum performances. The results demonstrated that the trained ANNs were able to predict the elastic distortional buckling resistance of CFS flange-restrained elements with an average accuracy of 99% in terms of coefficient of determination. The developed models were then used to propose a simple ANN-based design formula for the prediction of the elastic distortional buckling stress of CFS flange-restrained elements. Finally, the proposed formula was further evaluated on a separate set of unseen data to ensure its accuracy for practical applications.
A theoretical research project is undertaken to develop integrated analysis and design tools for long span composite beams in modern high-rise buildings, and it aims to develop non-linear finite element models for practical design of composite beams. As the first paper in the series, this paper presents the development study as well as the calibration exercise of the proposed finite element models for simply supported composite beams. Other practical issues such as continuous composite beams, the provision of web openings for passage of building services, the partial continuity offered by the connections to columns as well as the behaviour of both unprotected and protected composite beams under fires will be reported separately. In this paper, details of the finite elements and the material models for both steel and reinforced concrete are first described, and finite element studies of composite beams with full details of test data are then presented. It should be noted that in the proposed finite element models, both steel beams and concrete slabs are modelled with two dimensional plane stress elements whose widths are assigned to be equal to the widths of concrete flanges, and the flange widths and the web thicknesses of steel beams as appropriate. Moreover, each shear connector is modelled with one horizontal spring and one vertical spring to simulate its longitudinal shear and pull-out actions based on measured load-slippage curves of push-out tests of shear connectors. The numerical results are then carefully analyzed and compared with the corresponding test results in terms of load mid-span deflection curves as well as load end-slippage curves. Other deformation characteristics of the composite beams such as stress and strain distributions across the composite cross-sections as well as distributions of shear forces and slippages in shear connectors along the beam spans are also examined in details. It is shown that the numerical results of the composite beams compare well with the test data in terms of various load-deformation characteristics along the entire deformation ranges. Hence, the proposed analysis and design tools are considered to be simple and yet effective for composite beams with practical geometrical dimensions and arrangements. Structural engineers are strongly encouraged to employ the models in their practical work to exploit the full advantages offered by composite construction.
In order to substitute FRP bar for steel bar in new structures, it is necessary to establish a reliable design code. But relatively little research has been conducted on the material in Korea. So, a total of 22 beam specimens (18 GFRP reinforced concrete and 4 conventional steel reinforced concrete) were constructed and tested. In the first phase of the experiment, it was carried out to observe flexural behavior, and collect deflection and crack data. In order to eliminate of the uncertainty by the shear reinforcements and induce flexural failure mode, any stirrup were not used and only shear span-depth ratio were adjusted. However, almost beams were broken by shear and the ACI 440.1R, CSA S806, which were used to design test beams, showed considerable deviation between prediction and test results of shear strengths. Therefore in the second phase of the study, shear failure modes and behavior were observed. A standard specimen had dimensions of 3,300 mm long ${\times}$ 800 mm wide ${\times}$ 200 mm effective depth. Clear span and shear span were 2,800 mm, 1,200 mm respectively. Control shear span-depth ratio was 6.0. Four-point bending test over simple support was conducted. Variables of the specimens were concrete compressive strength, type and elastic modulus of reinforcement, shear span-depth ratio, effective reinforcement ratio, the effect of bundle placing method and cover thickness.
Kim, Ju Hee;Myeong, Man Sik;Oh, Chang Sik;Kim, Yun Jae
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.2
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pp.175-183
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2016
The endurance reliability assessment of a highly complex mechanism is generally predicted by the fatigue life based on simple stress analysis. This study discusses various fatigue life assessment techniques for an automobile clutch snap ring. Finite element analyses were conducted to determine the structural stress on the snap ring. Structural stress that is insensitive in regards to the mesh size and type definition is presented in this study. The structural stress definition is consistent with elementary structural mechanics theory and provides an effective measure of a stress state that pertains to fatigue behavior of welded joints in the form of both membrane and bending components. Numerical procedures for both solid models and shell or plate element models are presented to demonstrate the mesh-size insensitivity when extracting the structural stress parameters. Conventional finite element models can be used with the structural stress calculations as a post-processing procedure. The two major implications from this research were: (a) structural stresses pertaining to fatigue behavior can be consistently calculated in a mesh-insensitive manner regardless of the types of finite element models; and (b) by comparing with the clutch snap-ring fatigue test data, we should predict the fatigue fractures of an automobile clutch snap ring using this method.
Conventional paints for conversion coating applications in steel production derived mainly from water-based polymer dispersions containing several additives actually show good general performance, but suffer from poor scratch and abrasion resistance during use. The reason for this is because the relatively soft organic binder matrix dominates the mechanical surface properties. In order to maintain the high quality and decorative function of coated steel sheets, the mechanical performance of the surface needs to be improved significantly. In fact the wear resistance should be enhanced without affecting the optical appearance of the coatings by using appropriate nanoparticulate additives. In this direction, nanocomposite coating compositions (Nanomer$^{(R)}$) have been derived from water-based polymer dispersions with an increasing amount of surface-modified nanoparticles in aqueous dispersion in order to monitor the effect of degree of filling with rigid nanoparticles. The surface of nanoparticles has been modified for optimum compatibility with the polymer matrix in order to achieve homogeneous nanoparticle dispersion over the matrix. This approach has been extended in such a way that a more expanded hybrid network has been condensed on the nanoparticle surface by a hydrolytic condensation reaction in addition to the quasi-monolayer type small molecular surface modification. It was expected that this additional modification will lead to more intensive cross-linking in coating systems resulting in further improved scratch-resistance compared to simple addition of nanoparticles with quasi-monolayer surface modification. The resulting compositions have been coated on zinc-galvanized steel and cured. The wear resistance and the corrosion protection of the modified coating systems have been tested in dependence on the compositional change, the type of surface modification as well as the mixing conditions with different shear forces. It has been found out that for loading levels up to 50 wt.-% nanoparticles, the mechanical wear resistance remains almost unaffected compared to the unmodified resin. In addition, the corrosion resistance remained unaffected even after $180^{\circ}$ bending test showing that the flexibility of coating was not decreased by nanoparticle addition. Electron microscopy showed that the inorganic nanoparticles do not penetrate into the organic resin droplets during the mixing process but rather formed agglomerates outside the polymer droplet phase resulting in quite moderate cross linking while curing, because of viscosity. The proposed mechanisms of composite formation and cross linking could explain the poor effect regarding improvement of mechanical wear resistance and help to set up new synthesis strategies for improved nanocomposite morphologies, which should provide increased wear resistance.
A pile is a type of medium for constructing superstructures in weak geotechnical conditions. A pretensioned spun high-strength concrete (PHC) pile is composed of high-strength concrete with a specified strength greater than 80 MPa. Therefore, it has advantages in resistance to axial and bending moments and quality control and management since it is manufactured in a factory. However, the skin friction of a pile, which accounts for a large portion of the pile bearing capacity, is only approximated using empirical equations or standard penetration test (SPT) N-values. Particularly, there are some poor research results on the pile-soil interface under the seismic loads in Korea. Additionally, some studies do not consider geoenvironmental elements, such as groundwater pH values. This study performs sets of cyclic simple shear tests using submerged concrete specimens for 1 month to consider pH values of groundwater and clay specimens composed of kaolinite to generate a pile-soil interface. 0.2 and 0.4 MPa of normal stress conditions are considered in the case of pH values. The disturbed state concept is employed to express the dynamic behavior of the interface, and the disturbed function parameters are newly suggested. Consequently, the largest disturbance increase under basic conditions is observed, and an early approach to the failure under low normal stress conditions is presented. The disturbance function parameters are also suggested to express this disposition quantitatively.
Nam, Hyun Jin;Kang, Cheol;Lee, Seung-Woo;Kim, Sun Woo;Park, Se-Hoon
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.29
no.4
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pp.21-27
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2022
Flexible pressure sensor was developed using low-cost conductive graphite as printed electronics. Flexible pressure sensors are attracting attention as materials to be used in future industries such as medical, games, and AI. As a result of evaluating various electromechanical properties of the printed electrode for flexible pressure sensors, it showed a constant resistance change rate in a maximum tensile rate of 20%, 30° tension/bending, and a simple pulse test. A more appropriate matrix pattern was designed by simulating the electrodes for which this verification was completed. Utilizing the Serpentine pattern, we utilized a process that allows simultaneous fabrication and encapsulation of the matrix pattern. One side of the printed graphite electrode was O2 plasma surface treated to increase adhesive strength, rotated 90 times, and two electrodes were made into one through a lamination process. As a result of pasting the matrix pattern prepared in this way to the wrist pulse position of the human body and proceeding with the actual measurement, a constant rate of resistance change was shown regardless of gender.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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