An improved method has been developed for the computation of the section forces and stiffness in nonlinear finite element analysis of RC plane frames. The need for a new approach arises because the conventional technique may have a questionable level of efficiency if a large number of layers is specified and a questionable level of accuracy if a smaller number is used. The proposed technique is based on automatically dividing the section into zones of similar state of stress and tangent modulus and then numerically integrating within each zone to evaluate the sectional stiffness parameters and forces. In the new system, the size, number and location of the layers vary with the state of the strains in the cross section. The proposed method shows a significant improvement in time requirement and accuracy in comparison with the conventional layered approach. The computer program based on the new technique has been used successfully to predict the experimental load-deflection response of a RC frame and good agreement with test and other numerical results have been obtained.
This paper presents a theoretical approach of the structures reinforced with bonded FRP composites, taking into account loading model, shear lag effect and the thermal effect. These composites are used, in particular, for rehabilitation of structures by stopping the propagation of the cracks. They improve rigidity and resistance, and prolong their lifespan. In this paper, an original model is presented to predict and to determine the stresses concentration at the FRP end, with the new theory analysis approach. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, i.e., the concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. The numerical resolution was finalized by taking into account the physical and geometric properties of materials that may play an important role in reducing the stress values. This solution is general in nature and may be applicable to all kinds of materials.
Silva, Jessica L.;Deus, Lidiane R.R.M.;Lemes, Igor J.M.;Silveira, Ricardo A.M.
Steel and Composite Structures
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v.38
no.3
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pp.257-270
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2021
This paper presents a displacement-based numerical methodology following the Euler-Bernoulli theory to simulate the 2 nonlinear behavior of steel structures. It is worth emphasizing the adoption of co-rotational finite element formulations considering large displacements and rotations and an inelastic material behavior. The numerical procedures proposed considers plasticity concentrated at the finite elements nodes, and the simulation of the steel nonlinear behavior is approached via the Strain Compatibility Method (SCM), where the material constitutive relation is used explicitly. The SCM is also applied in determining the sections bearing capacity. Moreover, the present numerical approach is not limited to a specific structural member cross-sectional typology, with the residual stress models introduced explicitly in subareas of steel cross-sections generated by a 2D discretization. Finally, results consistent with the literature and with low processing time are presented.
Jeon, Kwang Woo;Shin, Kwang Bok;Kim, Jin Woo;Jeong, Yeon Il
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.8
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pp.1035-1041
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2013
To evaluate the structural integrity and dynamic characteristic of the knuckle part of a KTX anti-roll bar, an experimental and a numerical approach were used in this study. In the experimental approach, the acceleration and strain data for the knuckle parts of the KTX and KTX-SANCHUN anti-roll bar were respectively measured to evaluate and compare its structural dynamic characteristics under the operating environments of the Honam line. In the numerical approach, the evaluation of its structural integrity was conducted using LS-DYNA 3D, and then, the reliability of the finite element model used was ensured by a comparative evaluation with the experiment. The numerical results showed that the stress and velocity field of the knuckle part composed of a layered structure of a thin steel plate and rubber were more moderate than those of the knuckle part made of only a thick steel block owing to the reduction of relative contact between the knuckle and the connecting rod. It was found that the knuckle part made of a thin steel plate and rubber was recommended as the best solution to improve its structural integrity resulting from the elastic behavior of the KTX anti-roll bar being enabled under a repeating external force.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.6
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pp.476-484
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2017
The purpose of this paper is to verify the structural integrity of a region with numerous penetration-holes in offshore structures such as semi-submersible rig and FPSO. In order to effectively check the yielding and buckling strength of plate members with penetration-holes, a screening analysis program was developed with the FE analysis tool to generate fine meshed model using the theoretical and analysis methods. When a hole is appeared in the plate structure members, the flow of stress is altered such that concentrations of stress form near the hole. Stress concentrations are of concern during both preliminary and detail design and need to be addressed from the perspectives of strength. To configure the geometrical shape, very fine meshed FE analysis is needed as the most accurate method. However, this method is practically impossible to apply for the strength verifications for all perforated plates. In this paper, screening analysis method was introduced to reduce analysis tasks prior to detailed FE analysis. This method is applied to not only the peak stress calculation combined stress concentration factor with nominal stress but also nominal equivalent stress calculation considering cutout effects. The areas investigated by very fine meshed analysis were to be chosen through screening analysis without any reinforcements for penetration-holes. If screening analysis results did not satisfy the acceptance criteria, direct FE analysis method as the 2nd step approach were applied with one of the coarse meshed model considering hole or with the very fine meshed model considering the hole shape and size. In order to effectively perform the local fine meshed analysis, automatic model generating program was developed based on the MSC/PATRAN which is pre-post FE analysis program. Buckling strength was also evaluated by Common Structure Rule (CSR) adopted by IACS as the stress obtained from very fine meshed FE analysis. Due to development of the screening analysis program and automatic FE modeling program, it was able to reduce the design periods and structural analysis costs.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.3
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pp.17-24
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2019
Carbon Fiber Reinforced Polymers(CFRP) has widely utilized as a material for rehabilitation because of its light-weight, deformability and workability. Because CFRP is brittle material whereas steel is ductile, it is inappropriate to apply conventional design approach for steel reinforcement. For ductile material, the behavior of combined elements is on average of that of unit element due to the stress redistribution between elements after yielding. Therefore, the mean value of the stress of combined elements is equal to that of unit element and the standard variation is smaller. Therefore, although the design value can increase, it is used as constant value because it is conservative and practical approach. However, for brittle material, the behavior of combined elements is governed by the weaker element because no stress redistribution is expected. Therefore, both the mean value and standard variation of the stress of combined elements decreases. For this reason, the design value would decrease as the number of element increases although it is eventually converged. In this paper, in brittle material, it is verified that the combination of unit element with normal distribution results in combined element with weibull distribution, so the modifying equation of mechanical properties is proposed with respect to the area load applied.
This study found an interesting fact that the nonlinear relationship structure between volatility and trading volume changed before and after the COVID-19 pandemic according to empirical analysis using Bitcoin (BTC) market data that sensitively reflects investors' trading behavior. That is, their relationship appeared positive (+) in a stable market state before COVID-19 pandemic, as in theory based on the information flow paradigm. In a state under severe market stress due to COVID-19 pandemic, however, their dependence structure changed and even negative (-). This can be seen as a consequence of increased market stress caused by COVID-19 pandemics from a behavioral economics perspective, resulting in structural changes in the asset market and a significant impact on the nonlinear dependence of volatility and trading volume (in particular, their dependence at extreme quantiles). Hence, it should be recognized that in addition to information flows, psychological phenomena such as behavioral biases or herd behavior, which are closely related to market stress, can be a key in changing their dependence structure. For empirical analysis, this study performs a test of Ross (2015) for detecting a structural change, and proposes a Copula Regression Quantiles (CRQ) approach that can identify their nonlinear relationship structure and the asymmetric dependence in their distribution tails without the assumption of i.i.d. random variable. In addition, it was confirmed that when the relationship between their extreme values was analyzed by linear models, incorrect results could be derived due to model specification errors.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.11
s.170
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pp.2022-2032
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1999
In recent years, the subject of remaining life assessment has drawn considerable attention in the power generation industry. In power generation systems a variety of structural components, such as steam pipes, turbine rotors, and superheater headers, typically operate at high temperatures and high pressures. Thus a life prediction methodology accounting for fracture and rupture is increasingly needed for these components. For accurate failure assessment, in addition to the single parameter such as K or J-integral used in traditional fracture mechanics, the second parameter like T-stress describing the constraint is needed. The most critical defects in such structures are generally found in the form of semi-elliptical surface cracks in the welded piping-joints. In this work, selecting the structures of surface-cracked plate and straight pipe, we first perform line-spring finite element modeling, and accompanying elastic-plastic finite element analyses. We then present a framework for including constraint effects (T-stress effects) in the R6 failure assessment diagram approach for fracture assessment.
One-dimensional rod theory is very effective as a simplified analytical approach to large scale or complicated structures such as high-rise buildings, in preliminary design stages. It replaces an original structure by a one-dimensional rod which has an equivalent stiffness in terms of global properties. The mechanical behavior of structures composed of distinct constituents of different stiffness such as coupled walls with opening is significantly governed by the local variation of stiffness. Furthermore, in structures with setback the distribution of the longitudinal stress behaves remarkable nonlinear behavior in the transverse-wise. So, the author proposed the two-dimensional rod theory as an extended version of the rod theory which accounts for the two-dimensional local variation of structural stiffness; viz, variation in the transverse direction as well as longitudinal stiffness distribution. This paper proposes how to deal with the two-dimensional rod theory for structures with setback. Validity of the proposed theory is confirmed by comparison with numerical results of computational tools in the cases of static, free vibration and forced vibration problems for various structures. The transverse-wise nonlinear distribution of the longitudinal stress due to the existence of setback is clarified to originate from the long distance from setback.
In this paper, a new semi-analytical solution for estimating the pull-in parameters of electrically actuated functionally graded (FG) nanobeams is proposed. All the bulk and surface material properties of the FG nanoactuator vary continuously in thickness direction according to power law distribution. Here, the modified couple stress theory (MCST) and Gurtin-Murdoch surface elasticity theory (SET) are jointly employed to capture the size effects of the nanoscale beam in the context of Euler-Bernoulli beam theory. According to the MCST and SET and accounting for the mid-plane stretching, axial residual stress, electrostatic actuation, fringing field, and dispersion (Casimir or/and van der Waals) forces, the nonlinear nonclassical equation of motion and boundary conditions are obtained derived using Hamilton principle. The proposed semi-analytical solution is derived by employing Galerkin method in conjunction with the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The proposed solution approach is validated with the available literature. The freestanding behavior of nanoactuators is also investigated. A parametric study is conducted to illustrate the effects of different material and geometrical parameters on the pull-in response of cantilever and doubly-clamped FG nanoactuators. This model and proposed solution are helpful especially in mechanical design of micro/nanoactuators made of FGMs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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