Longitudinal fracture behavior of non-linear elastic beam configurations is studied in terms of the strain energy release rate. It is assumed that the beams exhibit continuous material inhomogeneity along the width as well as along the height of the crosssection. The Ramberg-Osgood stress-strain relation is used for describing the non-linear mechanical behavior of the inhomogeneous material. A solution to strain energy release rate is derived that holds for inhomogeneous beams of arbitrary cross-section under combination of axial force and bending moments. Besides, the solution may be applied at any law of continuous distribution of the modulus of elasticity in the beam cross-section. The longitudinal crack may be located arbitrary along the beam height. The solution is used to investigate a longitudinal crack in a beam configuration of rectangular cross-section under four-point bending. The crack is located symmetrically with respect to the beam mid-span. It is assumed that the modulus of elasticity varies continuously according a cosine law in the beam cross-section. The longitudinal fracture behavior of the inhomogeneous beam is studied also by applying the J-integral approach for verification of the non-linear solution to the strain energy release rate derived in the present paper. Effects of material inhomogeneity, crack location along the beam height and non-linear mechanical behavior of the material on the longitudinal fracture behavior are evaluated. Thus, the solution derived in the present paper can be used in engineering design of inhomogeneous non-linear elastic structural members to assess the influence of various material and geometrical parameters on longitudinal fracture.
Eyvazian, Arameh;Zhang, Chunwei;Musharavati, Farayi;Khan, Afrasyab;Mohamed, Abdeliazim Mustafa
Advances in nano research
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v.10
no.3
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pp.271-280
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2021
The present work deals with an investigation on longitudinal wave propagation in nanobeams made of graphene sheets, for the first time. The nanobeam is modelled via a higher-order shear deformation theory accounts for both higher-order and thickness stretching terms. The general nonlocal strain gradient theory including nonlocality and strain gradient characteristics of size-dependency in order is used to examine the small-scale effects. This model has three-small scale coefficients in which two of them are for nonlocality and one of them applied for gradient effects. Hamilton supposition is applied to obtain the governing motion equation which is solved using a harmonic solution procedure. It is indicated that the longitudinal wave characteristics of the nanobeams are significantly influenced by the nonlocal parameters and strain gradient parameter. It is shown that higher nonlocal parameter is more efficient than lower nonlocal parameter to change longitudinal phase velocities, while the strain gradient parameter is the determining factor for their efficiency on the results.
The use of lateral reinforcement in confined concrete columns can improve bearing capacity and deformability. The lateral responses of lateral reinforcement significantly influence the effective confining pressure on core concrete. However, lateral strain-axial strain model of concrete columns confined by lateral reinforcement has not received enough attention. In this paper, based on experimental results of 85 concrete columns confined by lateral reinforcement under axial compression, the effect of unconfined concrete compressive strength, volumetric ratio, lateral reinforcement yield strength, and confinement type on lateral strain-axial strain curves was investigated. Through parameter analysis, it indicated that with the same level of axial strain, the lateral strain slightly increased with the increase in the unconfined concrete compressive strength, but decreased with the increase in volumetric ratio significantly. The lateral reinforcement yield strength had slight influence on lateral strain-axial strain curves. At the same level of lateral strain, the axial strain of specimen with spiral was larger than that of specimen with stirrup. Furthermore, a lateral strain-axial strain model for concrete columns confined by lateral reinforcement under axial compression was proposed by introducing the effects of unconfined concrete compressive strength, volumetric ratio, confinement type and effective confining pressure, which showed good agreement with the experimental results.
Satish, Tejus;Balakrishnan, Kaushik;Gullapalli, Hemtej;Nagarajaiah, Satish;Vajtai, Robert;Ajayan, Pulickel M.
Structural Monitoring and Maintenance
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v.4
no.2
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pp.107-113
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2017
In this paper, we present a strain-sensitive composite skin-like film made up of piezoresistive zinc oxide (ZnO) nanorods embedded in a flexible poly(dimethylsiloxane) substrate, with added reduced graphene oxide (rGO) to facilitate connections between the nanorod clusters and increase strain sensitivity. Preparation of the composite is described in detail. Cyclic strain sensing tests are conducted. Experiments indicate that the resulting ZnO-PDMS/rGO composite film is strain-sensitive and thus capable of sensing cycling strain accurately. As such, it has the potential to be molded on to a structure (civil, mechanical, aerospace, or biological) in order to provide a strain sensing skin.
The companion paper presents a new three-parameter model for the uniaxial rate-sensitive material response, which is based on a bilinear static stress-strain relationship with kinematic strain-hardening. This paper extends the proposed model to trilinear static stress-strain relationships for steel and concrete, and discusses the implementation of the new models within an incremental-iterative solution procedure. For steel, the three-parameter rate-function is employed with a trilinear static stress-strain relationship, which allows the utilisation of different levels of rate-sensitivity for the plastic plateau and strain-hardening ranges. For concrete, on the other hand, two trilinear stress-strain relationships are used for tension and compression, where rate-sensitivity is accounted for in the strain-softening range. Both models have been implemented within the nonlinear analysis program ADAPTIC, which is used herein to provide verification for the models, and to demonstrate their applicability to the rate-sensitive analysis of steel and reinforced concrete structures.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.4
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pp.312-320
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2017
This paper deals with the development of structural test facility for the strength assessment of marine leisure boat built from carbon fiber reinforced plastics (CFRP) materials. The structural test facility consists of test jig, load application and control system, and data acquisition system. Test jig, and load application and control system are designed to accommodate various size and short span to depth ratios of single skin, top-hat stiffened and sandwich constructions in plated structural format such as square and rectangular shapes. A lateral pressure load, typical and important applied load condition to the plates of the hull structure for marine leisure boat, is simulated by employing a number of hydraulic cylinders operated automatically and manually. To examine and operate the structural test facility, five carbon/epoxy based FRP square plates having the test section area of $1m^2$, which are part of CFRP marine leisure boat hull, are prepared and they are subjected to monotonically increasing lateral pressure loads. In the test preparation, considering the symmetry of the plates geometry, various strain gauges and linear variable displacement transformer are used in conjunction with data acquisition system utilizing LabVIEW. From the test observation, the responses of the CFRP hull structure of marine leisure boat are understood by obtaining load to deflection and strain to load curves.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.61
no.2
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pp.115-124
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2024
To detect and prevent structural damage caused by various loads on marine structures and ships, structural health monitoring procedure is essential. Estimating loads acting on the structures which are measured by sensors that are mounted properly are crucial for structural health monitoring. However, attaching an excessive number of sensors to the structure without consideration can be inefficient due to the high costs involved and the potential for inducing structural instability. In this study, we introduce a method to determine the optimal number of sensors and their optimized locations for strain measurement sensors, allowing for accurate load estimation throughout the structure using model expansion method. To estimate the loads exerted on the entire structure with minimal sensors, we construct a strain-load interpolation matrix using the strain mode shapes of the finite element (FE) model and select the optimal sensor locations by applying D-Optimal Design and the row exchange algorithm. Finally, we estimate the loads exerted on the entire structure using the model expansion method. To validate the proposed method, we compare the results obtained by applying the optimal sensor placement and model expansion method to an FE model subjected to arbitrary loads with the loads exerted on the entire FE model, demonstrating efficiency and accuracy.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.4
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pp.351-361
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2017
Reinforced concrete(RC) structural walls are major lateral load-resisting structural member in building structures. Generally these RC structural walls are coupled with each other by the coupling beams and slabs, and therefore they behave as RC coupled structural wall system. In the design of these coupled structural wall systems, member forces are calculated using elastic structural analysis. These elastic analysis methodologies for the design of coupled structural wall system was not reasonable because it can not consider their ultimate behavior and assure economic feasibility. Performance based design and moment redistribution method to solve these problems is regarded as a reasonable alternative design method for RC coupled structural wall system. However, it is not verified under various design parameters. In this study, nonlinear analysis of RC coupled structural wall system was performed according to various design parameters such as reinforcement ratio, ultimate concrete strain and wall height. Based on analysis results, design considerations for coupled RC structural wall system was proposed.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.2
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pp.10-20
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2013
To evaluate the safety of a beam structure, strains are measured as an indicator of structural states. However, unless strain sensors are installed exactly on where maximum or other representative strains occur, the techniques by which rational assessment through measured strains is accomplished are required. Thus, this study suggests a process to estimate strain distribution on the steel beam from discrete strains measured by sensors. In the presented technique, the targeted beam is regarded to be subjected to unknown loads so that applicability is enhanced. Final strain distribution is given as form of a function after regression analysis. To verify the performance of estimation, a bending test for steel beam on which distributed and concentrated loads simultaneously act is conducted. From the comparison between estimated and directly measured strains in the test, the curve of strain distribution and the strain at arbitrary location could be predicted within maximum relative error 3.32% and maximum absolute error of $2.32{\mu}{\varepsilon}$, respectively. Thus reliable and practical monitoring is expected to apply effectively for the steel beam structure.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.05a
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pp.151-155
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2006
Elastic-viscoplastic structural analysis is performed for regenerative cooling chamber of liquid rocket thrust chamber using Bodner-Partom visco-plastic model. Strain rate test was also conducted for a copper alloy at various temperatures in order to get material constants of visco-plastic model used in the structural analysis. Material constants of visco-plastic model were obtained from strain rate test results and visco-plsstic model was incorporated into finite element program, Marc, by means of user subroutine. The structural analysis results indicate that the deformation of cooling channel is mostly caused by thermal loading rather than pressure loading and confirmed structural stability of the cooling channel under operating condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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