이 연구는 화재에 노출된 구조물의 역학적 거동을 평가하기 위한 기반연구로서 화재 유동해석과 열응력해석의 통합 프레임워크를 확립하고 이를 강재와 콘크리트로 이루어진 대표체적에 적용한 결과를 제시하였다. 먼저 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 이용해 임의의 화재곡선으로 모델링되는 화원으로부터 구조물 표면까지 유동해석을 실시하였다. 이를 통해 구조물 표면에서 시간에 따른 온도 분포를 계산하였고, 이 결과를 비선형 열응력해석에 경계조건으로 적용하였다. 이후의 과정은 화재의 성장 또는 감소에 따라 구조물 표면온도의 변화를 반영하는 열전달해석과 구조해석으로 이루어진다. 제시한 통합 프레임워크에 의해 화재 구조해석을 수행한 결과, 강재와 콘크리트의 대표체적 모두 동일한 하중이 작용할 때 상온 조건에서는 탄성 거동을 보였지만 화재로 인한 온도 조건을 고려할 경우 소성 거동을 보였다. 이는 구조물이 화재에 노출되는 경우 설계하중보다 작은 하중에서도 한계상태에 이를 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 원전구조물이나 교량과 같은 중요 사회기반구조물의 설계 시 구조물의 화재거동 평가가 고려되어야 한다고 할 수 있다.
Asrari, Reza;Ebrahimi, Farzad;Kheirikhah, Mohammad Mahdi
Structural Engineering and Mechanics
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제75권6호
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pp.659-674
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2020
The present paper employs nonlocal strain gradient theory (NSGT) to study buckling behavior of functionally graded magneto-electro-thermo-elastic (FG-METE) nanoshells under various physical fields. NSGT modeling of the nanoshell contains two size parameters, one related to nonlocal stress field and another related to strain gradients. It is considered that mechanical, thermal, electrical and magnetic loads are exerted to the nanoshell. Temperature field has uniform and linear variation in nanoshell thickness. According to a power-law function, piezo-magnetic, thermal and mechanical properties of the nanoshell are considered to be graded in thickness direction. Five coupled governing equations have been obtained by using Hamilton's principle and then solved implementing Galerkin's method. Influences of temperature field, electric voltage, magnetic potential, nonlocality, strain gradient parameter and FG material exponent on buckling loads of the FG-METE nanoshell have been studied in detail.
Kar, Vishesh R.;Mahapatra, Trupti R.;Panda, Subrata K.
Steel and Composite Structures
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제19권4호
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pp.1011-1033
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2015
In this article, large amplitude bending behaviour of laminated composite flat panel under combined effect of moisture, temperature and mechanical loading is investigated. The laminated composite panel model has been developed mathematically by introducing the geometrical nonlinearity in Green-Lagrange sense in the framework of higher-order shear deformation theory. The present study includes the degraded composite material properties at elevated temperature and moisture concentration. In order to achieve any general case, all the nonlinear higher order terms have been included in the present formulation and the material property variations are introduced through the micromechanical model. The nonlinear governing equation is obtained using the variational principle and discretised using finite element steps. The convergence behaviour of the present numerical model has been checked. The present proposed model has been validated by comparing the responses with those available published results. Some new numerical examples have been solved to show the effect of various parameters on the bending behaviour of laminated composite flat panel under hygro-thermo-mechanical loading.
In the present paper a 3D thermo-hygro-mechanical model for concrete is used to study explosive spalling of concrete cover at high temperature. For a given boundary conditions the distribution of moisture, pore pressure, temperature, stresses and strains are calculated by employing a three-dimensional transient finite element analysis. The used thermo-hygro-mechanical model accounts for the interaction between hygral and thermal properties of concrete. Moreover, these properties are coupled with the mechanical properties of concrete, i.e., it is assumed that the mechanical properties (damage) have an effect on distribution of moisture (pore pressure) and temperature. Stresses in concrete are calculated by employing temperature dependent microplane model. To study explosive spalling of concrete cover, a 3D finite element analysis of a concrete slab, which was locally exposed to high temperature, is performed. It is shown that relatively high pore pressure in concrete can cause explosive spalling. The numerical results indicate that the governing parameter that controls spalling is permeability of concrete. It is also shown that possible buckling of a concrete layer in the spalling zone increases the risk for explosive spalling.
본 연구에서는 다양한 설계조건 하에서 철골보의 내화시간을 평가할 수 있는 산정식을 열-구조 연성해석(fully coupled thermo-mechanical analysis)을 토대로 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 산정식은 철골보의 화재거동에 미치는 주요 인자를 구조변수 및 열변수로 명시적으로 반영하므로 각 설계변수의 내화성능에 대한 영향을 설계자가 쉽게 정량적으로 파악할 수 있는 강점이 있다. 광범위한 변수해석을 수행하기에 앞서 실물대 화재실험 결과를 활용하여 본 연구의 열-구조 연성해석모델의 타당성을 검증한 후, 철골보에 붕괴처짐(run-away deflection)이 발생할 때까지 화재거동에 대한 각 변수들의 영향력을 검토하였다. 이러한 수치해석결과를 다양한 설계조건에서 철골보의 내화시간 예측에 활용할 수 있도록 다중선형회귀분석을 통해 통계학적으로 신뢰도가 높은 평가식을 제안하였다. 현행 사양설계기준에서의 활용법을 사례를 들어 예시하였고, 제시된 식으로부터 얻어지는 경제성과 장점을 입증하였다.
Components manufactured from composite materials are frequently subjected to superimposed mechanical and thermal loadings during their operating service. Both types of loadings may cause fracture and failure of composite structures. When composite cross-ply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ are subjected to uni-axial tensile loading, different types of damage are set-up and developed such as matrix cracking: transverse and longitudinal cracks, delamination between disoriented layers and broken fibers. The development of these modes of damage can be detrimental for the stiffness of the laminates. From the experimental point of view, transverse cracking is known as the first mode of damage. In this regard, the objective of the present paper is to investigate the effect of transverse cracking in cross-ply laminate under thermo-mechanical degradation. A Finite Element (FE) simulation of damage evolution in composite crossply laminates of type [$0_m/90_n]_s$ subjected to uni-axial tensile loading is carried out. The effect of transverse cracking on the cross-ply laminate strength under thermo-mechanical degradation is investigated numerically. The results obtained by prediction of the numerical model developed in this investigation demonstrate the influence of the transverse cracking on the bearing capacity and resistance to damage as well as its effects on the variation of the mechanical properties such as Young's modulus, Poisson's ratio and coefficient of thermal expansion. The results obtained are in good agreement with those predicted by the Shear-lag analytical model as well as with the obtained experimental results available in the literature.
Simplified mathematical formulas are presented to predict deformations during the plate forming process when the heating parameters are given. To obtain the formulas, firstly, the thermal analysis for steel plate is performed, and the thermo-mechanical analysis is followed with actual heating conditions. The analyses have been carried out by the commercial software MARC, which is programmed based on the FEM. Secondary, the results of the mechanical analysis are synthesized with their variables for a statistical approach, which results in simplified formulas. The results of the analysis are well compared with those of experimental measurements.
Yaghoobi, Hessameddin;Valipour, Mohammad Sadegh;Fereidoon, Abdolhossein;Khoshnevisrad, Pooria
Steel and Composite Structures
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제17권5호
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pp.753-776
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2014
In this paper, nonlinear vibration and post-buckling analysis of beams made of functionally graded materials (FGMs) resting on nonlinear elastic foundation subjected to thermo-mechanical loading are studied. The thermo-mechanical material properties of the beams are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents, and to be temperature-dependent. The assumption of a small strain, moderate deformation is used. Based on Euler-Bernoulli beam theory and von-Karman geometric nonlinearity, the integral partial differential equation of motion is derived. Then this PDE problem which has quadratic and cubic nonlinearities is simplified into an ODE problem by using the Galerkin method. Finally, the governing equation is solved analytically using the variational iteration method (VIM). Some new results for the nonlinear natural frequencies and buckling load of the FG beams such as the influences of thermal effect, the effect of vibration amplitude, elastic coefficients of foundation, axial force, end supports and material inhomogenity are presented for future references. Results show that the thermal loading has a significant effect on the vibration and post-buckling response of FG beams.
The metal forming processes of aluminum alloy wheel forging at elevated temperature are analyzed by the finite element method. A coupled thermo-mechanical model for analysis of plastic deformation and geat transfer is adapted in the finite element formulation. In order to consider the strain-rate effects on material properties and the flow stress dependence on temperatures, rigid-viscoplasticity is introduced in this formation. In this paper, several process conditions were applied to the dimulation such as die speed, rib thickness, and depth of die cavity. Simulation results are compared, and discussed with each case. Metal flow, die pressure distributions, temperature distributions, velocity fields and forging loads are summarized as basic data for process design and selection of a proper press equipment.
In this study, the curing kinetics and thermal degradation of underfill were investigated using differential scanning calorimetry (DSC) and thermo gravimetry analysis (TGA). The mechanical and thermal properties of underfill were characterized using dynamic mechanical analysis (DMA) and thermo-mechanical analysis (TMA). Also, we presented on underfill dispensing process using Prostar tool. The non-isothermal DSC scans at various heating rates, the exothermic reaction peak became narrower with increasing the heating rate. The thermal degradation of underfill was composed of two processes, which involved chemical reactions between the degrading polymer and oxygen from the air atmosphere. The results of fluidity phenomena were simulated using Star CD program, the fluidity of the underfills with lower viscosity was faster.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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