Messai, Abderraouf;Fortas, Lahcene;Merzouki, Tarek;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Structural Engineering and Mechanics
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제81권4호
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pp.461-479
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2022
A finite element method analysis framework is introduced for the free vibration analyses of functionally graded porous beam structures by employing two variables trigonometric shear deformation theory. Both Young's modulus and material density of the FGP beam element are simultaneously considered as grading through the thickness of the beam. The finite element approach is developed using a nonlocal strain gradient theory. The governing equations derived here are solved introducing a 3-nodes beam element. A comprehensive parametric study is carried out, with a particular focus on the effects of various structural parameters such as the dispersion patterns of GPL reinforcements and porosity, thickness ratio, boundary conditions, nonlocal scale parameter and strain gradient parameters. The results indicate that porosity distribution and GPL pattern have significant effects on the response of the nanocomposite beams.
This paper presents a mechanistic approach to uniaxial viscoelastic constitutive modeling of asphalt concrete that accounts for damage evolution under cyclic loading conditions. An elasticviscoelastic correspondence principle in terms of pseudo variables is applied to separately evaluate viscoelasticity and time-dependent damage growth in asphalt concrete. The time-dependent damage growth in asphalt concrete is modeled by using a damage parameter based on a generalization of microcrack growth law. Internal state variables that describe the hysteretic behavior of asphalt concrete are determined. A constitutive equation in terms of stress and pseudo strain is first established for controlled-strain mode and then transformed to a controlled-stress constitutive equation by simply replacing physical stress and pseudo strain with pseudo stress and physical strain. Tensile uniaxial fatigue tests are performed under the controlled-strain mode to determine model parameters. The constitutive equations in terms of pseudo strain and pseudo stress satisfactorily predict the constitutive behavior of asphalt concrete all the way up to failure under controlled-strain and -stress modes, respectively.
Dyshlyuk, Anton V.;Makarova, Natalia V.;Vitrik, Oleg B.;Kulchin, Yuri N.;Babin, Sergey A.
Smart Structures and Systems
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제20권3호
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pp.343-350
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2017
An experimental study is presented of the application of fiber Bragg grating (FBG) interrogation method based on optical time-domain reflectometery (OTDR) to monitoring strain in bent reinforced concrete beams. The results obtained with the OTDR-based method are shown to agree well with the direct spectral measurements. Strain sensitivity, resolution and measurement range amounted to $0.0028dB/{\mu}strain$; $30{\mu}strain$; $4000{\mu}strain$, correspondingly. Significant differences are observed in surface and inner deformations of the test beams which can be attributed to different mechanical properties of concrete and steel reinforcement. The prospects of using OTDR-based FBG interrogation technique in real-life applications are discussed.
This work is concerned with transverse vibrations of axially traveling nanobeams including strain gradient and thermal effects. The strain gradient elasticity theory and the temperature field are taken into consideration. A new higher-order differential equation of motion is derived from the variational principle and the corresponding higher-order non-classical boundary conditions including simple, clamped, cantilevered supports and their higher-order "offspring" are established. Effects of strain gradient nanoscale parameter, temperature change, shape parameter and axial traction on the natural frequencies are presented and discussed through some numerical examples. It is concluded that the factors mentioned above significantly influence the dynamic behaviors of an axially traveling nanobeam. In particular, the strain gradient effect tends to induce higher vibration frequencies as compared to an axially traveling macro beams based on the classical vibration theory without strain gradient effect.
The visualizing energy flow and control in vibrating stiffened plates with a cutout are studied using finite element method. The vibration intensity, vibration energy and strain energy distribution of stiffened plates with cutout at different excitation frequencies are calculated respectively and visualized for the various cases. The cases of different size and boundaries conditions of cutouts are also investigated. It is found that the cutout or opening completely changes the paths and distributions of the energy flow in stiffened plate. The magnitude of energy flow is significantly larger at the edges near the cutout boundary. The position of maximum strain energy distribution is not corresponding to the position of maximum vibrational energy. Furthermore, the energy-based control using constrained damping layer (CDL) for vibration suppression is also analyzed. According to the energy distribution maps, the CDL patches are applied to the locations that have higher energy distribution at the targeted mode of vibration. The energy-based CDL treatments have produced significant attenuation of the vibration energy and strain energy. The present energy visualization technique and energy-based CDL treatments can be extended to the vibration control of vehicles structures.
The ratcheting behavior was studied experimentally for Z2CND18.12N elbow piping under cyclic bending and steady internal pressure. Dozens of cyclic plasticity models for structural ratcheting responses simulations were used in the paper. The four models, namely, Bilinear (BKH), Multilinear (MKIN/KINH), Chaboche (CH3), were already available in the ANSYS finite element package. Advanced cyclic plasticity models, such as, modified Chaboche (CH4), Ohno-Wang, modified Ohno-Wang, Abdel Karim-Ohno and modified Abdel Karim-Ohno, were implemented into ANSYS for simulating the experimental responses. Results from the experimental and simulation studies were presented in order to demonstrate the state of structural ratcheting response simulation by these models. None of the models evaluated perform satisfactorily in simulating circumferential strain ratcheting response. Further, improvement in cyclic plasticity modeling and incorporation of material and structural features, like time-dependent, temperature-dependent, non-proportional, dynamic strain aging, residual stresses and anisotropy of materials in the analysis would be essential for advancement of low-cycle fatigue simulations of structures.
This research aimed at to develop a quantitative assesment technique which uses the measured displacements at the excavated plane during tunnel construction. Tunnel structure has a feature with long extents comparing to the excavated section so that the tunnel safety assesment is more effective by using the measured data of displacements. Tunnel structures show different structural behaviors due to the mechanical characteristics of ground and supports themselves, excavation methods and construction methods of supports, etc. From this point of view, it has very important meanings on the practical aspects that the measured data from the construction cite represent the features of the interaction effects between ground and supports as they are. In this study, both the stress state and the properties of surrounding ground are analyzed by newly incorporated feedback analysis technique which can use the measured displacements directly. Then, the stress state and the properties of ground will be used to obtain the strain distribution of surrounding ground. Finally the tunnel safety can be assessed by comparing the estimated strain through the analysis to the allowable strain of ground quantitatively.
The scale effects on the permanent deformations and fractures of structures subjected to impact loadings have been aware by structural engineers for a long time. Experimental investigations have been performed with various structures to demonstrate the effects, but very few are directly related with marine structural elements. Furthermore, the causes of the scale effects have not clearly been answered yet. In this study, to quantify the scale effects on the permanent deflections, lateral collision tests were performed on steel unstiffened plates and the numerical analyses of the tested models were also conducted using a commercial package, Abaqus. After the substantiation of the numerical tool using the test results, a parametric study was carried out considering and neglecting the strain-rate hardening. Based upon the parametric study results, it may be concluded that the main cause of the scale effects on the permanent deflections of steel unstiffened plates subjected to lateral collision loads is the strain-rate effects.
Structural health monitoring and structural vibration control are multidisciplinary and frontier research directions of civil engineering. As intelligent materials that integrate sensing and actuation capabilities, shape memory alloys (SMAs) exhibit multiple excellent characteristics, such as shape memory effect, superelasticity, corrosion resistance, fatigue resistance, and high energy density. Moreover, SMAs possess excellent resistance sensing properties and large deformation ability. Superfine NiTi SMA wires have potential applications in structural health monitoring and micro-drive system. In this study, the mechanical properties and electrical resistance sensing characteristics of superfine NiTi SMA wires were experimentally investigated. The mechanical parameters such as residual strain, hysteretic energy, secant stiffness, and equivalent damping ratio were analyzed at different training strain amplitudes and numbers of loading-unloading cycles. The results demonstrate that the detwinning process shortened with increasing training amplitude, while austenitic mechanical properties were not affected. In addition, superfine SMA wires showed good strain-resistance linear correlation, and the loading rate had little effect on their mechanical properties and electrical resistance sensing characteristics. This study aims to provide an experimental basis for the application of superfine SMA wires in engineering.
Seyed Milad Hosseini;Mohamad Mohamadi Dehcheshmeh;Gholamreza Ghodrati Amiri
Structural Engineering and Mechanics
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제87권6호
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pp.555-574
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2023
An efficient optimization algorithm and damage-sensitive objective function are two main components in optimization-based Finite Element Model Updating (FEMU). A suitable combination of these components can considerably affect damage detection accuracy. In this study, a new hybrid damage-sensitive objective function is proposed based on combining two different objection functions to detect the location and extent of damage in structures. The first one is based on Generalized Pseudo Modal Strain Energy (GPMSE), and the second is based on the element's Generalized Flexibility Matrix (GFM). Four well-known population-based metaheuristic algorithms are used to solve the problem and report the optimal solution as damage detection results. These algorithms consist of Cuckoo Search (CS), Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO), Moth Flame Optimization (MFO), and Jaya. Three numerical examples and one experimental study are studied to illustrate the capability of the proposed method. The performance of the considered metaheuristics is also compared with each other to choose the most suitable optimizer in structural damage detection. The numerical examinations on truss and frame structures with considering the effects of measurement noise and availability of only the first few vibrating modes reveal the good performance of the proposed technique in identifying damage locations and their severities. Experimental examinations on a six-story shear building structure tested on a shake table also indicate that this method can be considered as a suitable technique for damage assessment of shear building structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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