Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.2
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pp.173-180
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2014
In the design of tunnel segment structure, axial and moment forces are considered as significant forces. Since axial force is much greater than moment force, the whole section of segment remains in compression. Therefore crack width can be reduced. But the axial force is not considered in criteria for serviceability check. This fact leads service condition more severe compared to ultimate condition and makes the required steel reinforcement increase to meet the serviceability criteria. In this study, the effect of axial force on serviceability of tunnel segment is evaluated, experimentally and analytically. Mock-up tests on segments with actual size were performed and investigated in terms of initial crack resistance. The evaluation proves that more comprehensive design could be achieved when the axial force is considered in the procedure for the serviceability check in design of tunnel segment.
This article presented a comprehensive model to study static buckling stability and associated mode-shapes of higher shear deformation theories of sandwich laminated composite beam under the compression of varying axial load function. Four higher order shear deformation beam theories are considered in formulation and analysis. So, the model can consider the influence of both thick and thin beams without needing to shear correction factor. The compression force can be described through axial direction by uniform constant, linear and parabolic distribution functions. The Hamilton's principle is exploited to derive equilibrium governing equations of unified sandwich laminated beams. The governing equilibrium differential equations are transformed to algebraic system of equations by using numerical differential quadrature method (DQM). The system of equations is solved as an eigenvalue problem to get critical buckling loads and their corresponding mode-shapes. The stability of DQM in determining of buckling loads of sandwich structure is performed. The validation studies are achieved and the obtained results are matched with those. Parametric studies are presented to figure out effects of in-plane load type, sandwich thickness, fiber orientation and boundary conditions on buckling loads and mode-shapes. The present model is important in designing process of aircraft, naval structural components, and naval structural when non-uniform in-plane compressive loading is dominated.
Numerical simulations are prevalently used to evaluate the seismic behaviour of structures. The accuracy of the simulation results depends directly on the accuracy of the modelling techniques employed to simulate the behaviour of individual structural members. An empirical modelling technique is employed in this paper to simulate the behaviour of column members under cyclic and seismic loading. Despite the common modelling techniques, this technique is capable of simulating two important aspects of the cyclic and seismic behaviour of columns simultaneously. The proposed fiber-based modelling technique captures explicitly the interaction between the bending moment and the axial force in columns, and the cyclic deterioration of the hysteretic behaviour of these members is implicitly taken into account. The fiber-based model is calibrated based on the cyclic behaviour of square hollow steel sections. The behaviour of several column archetypes is investigated under a dual cyclic loading protocol to develop a benchmark database before the calibration procedure. The dual loading protocol used in this study consists of both axial and lateral loading cycles with varying amplitudes. After the calibration procedure, a regression analysis is conducted to derive an equation for predicting a varying calibrated modelling parameter. Finally, several nonlinear time-history analyses are conducted on a 6-story steel special moment frame in order to investigate how the results of numerical simulations can be affected by employing the intended modelling technique for columns instead of other common modelling techniques.
The characteristics of the coherence functions of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on the Shanghai World Trade Centre - a 492 m super-tall building with section varying along height are studied via a synchronous multi-pressure measurement of the rigid model in wind tunnel simulating of the turbulent, and the corresponding mathematical expressions are proposed there from. The investigations show that the mathematical expressions of coherence functions in across-wind and torsional-wind directions can be constructed by superimposition of a modified exponential decay function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding respectively, while that in along-wind direction need only be constructed by the former, similar to that of wind speed. Moreover, an inductive analysis method is proposed to summarize the fitted parameters of the wind force coherence functions of every two measurement levels of altitudes. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well. Later, the influences of coherence functions on wind-induced dynamic responses are analyzed in detail based on the proposed mathematical expressions and the frequency-domain method of random vibration theory.
Functionally graded material (FGM) illustrates a novel class of composites that consists of a graded pattern of material composition. FGM is engineered to have a continuously varying spatial composition profile. Current work focused on buckling analysis of beam made of stepwise linear and quadratic graded material in axial direction subjected to axial span-load with piecewise function and rested on shear layer based on classical beam theory. The various boundary and natural conditions including simply supported (S-S), pinned - clamped (P-C), axial hinge - pinned (AH-P), axial hinge - clamped (AH-C), pinned - shear hinge (P-SHH), pinned - shear force released (P-SHR), axial hinge - shear force released (AH-SHR) and axial hinge - shear hinge (AH-SHH) are considered. To the best of the author's knowledge, buckling behavior of this kind of Euler-Bernoulli beams has not been studied yet. The equilibrium differential equation is derived by minimizing total potential energy via variational calculus and solved analytically. The boundary conditions, natural conditions and deformation continuity at concentrated load insertion point are expressed in matrix form and nontrivial solution is employed to calculate first buckling loads and corresponding mode shapes. By increasing truncation order, the relative error reduction and convergence of solution are observed. Fast convergence and good compatibility with various conditions are advantages of the proposed method. A MATLAB code is provided in appendix to employ the numerical procedure based on proposed method.
This paper studies the static stability of an axially graded column with the power-law gradient varying along the axial direction. For a nonhomogeneous column with one end linked to a rotational spring and loaded by a compressive force, respectively, an Euler problem is analyzed by solving a boundary value problem of an ordinary differential equation with varying coefficients. Buckling loads through the characteristic equation with the aid of the Bessel functions are exactly given. An alternative way to approximately determine buckling loads through the integral equation method is also presented. By comparing approximate buckling loads with the exact ones, the approximate solution is simple in form and enough accurate for varying power-law gradients. The influences of the gradient index and the rotational spring stiffness on the critical forces are elucidated. The critical force and mode shapes at buckling are presented in graph. The critical force given here may be used as a benchmark to check the accuracy and effectiveness of numerical solutions. The approximate solution provides a feasible approach to calculating the buckling loads and to assessing the loss of stability of columns in engineering.
Reliable and accurate method of computationally aided design processes of advanced thin walled structures in automotive industries are much essential for the efficient usage of smart materials, that possess higher energy absorption in dynamic compression loading. In this paper, most versatile components i.e., thin walled crash tubes with different geometrical profiles are introduced in view of mitigating the impact of varying cross section in crash behavior and energy absorption characteristics. Apart from the geometrical parameters such as length, diameter and thickness, the non-dimensionalized parameters of average forces which control the plastic bending moment for varying thickness has explored in view of quantifying its impact on the crashworthiness of the structure. The explicit finite element code ABAQUS is utilized to conduct the numerical studies to examine the effect of parametric modifications in crash behavior and energy absorption. Also the simulation results are experimentally validated. It is evident that the circular cross-sectional tubes are preferable as high collision impact shock absorbers due to their ability in withstanding axial and oblique impact loads effectively. Furthermore, the specific energy absorption (SEA), crash force efficiency (CFE), plastic bending moment, peak force responses and its impact for optimally tailoring a design to cater the crashworthiness requirements are investigated. The primary outcome of the study is to provide sufficient information on circular tubes for the use of energy absorbers where impact oblique loading is expected.
The main purpose of this paper is to present both the natural frequencies and the first critical loads of tapered columns. The ordinary differential equation governing the free vibration for tapered columns under compressive axial force is derived. Three kinds of cross sectional shape are considered in the governing equation. The Runge-Kutta method and determinant search method are used to perform the integration of the differential equation and to determine the natural frequencies, respectively. Additionally, the bisection method is used to determine the critical loads. In numerical examples, the effects of compressive axial force on the natural frequencies of tapered columns are investigated varying the end conditions. The first critical loads of tapered columns are determined on the basis of dynamic concepts. The first critical loads of tapered columns are determined on the basis of dynamic concept. The effects of cross sectional shapes are shown and some typical mode shapes are also presented.
Large-scale cantilever reinforced concrete (RC) columns with footing/stub were examined to determine their seismic response under a quasi-static increasing-magnitude cyclic lateral loading. Three-dimensional (3D) numerical models of RC columns with ductile and non-ductile reinforcement arrangements were developed in a Finite Element (FE) software, i.e., ABAQUS, to corroborate them with the experimental study conducted by the author. Both simulated models were validated with the experimental results in all respects, and the theoretical axial capacity of columns under concentric axial load (P0) was calculated. Subsequently, a detailed parametric study was conducted by adopting the force and reinforcement variables. These variables include axial compression ratios (ACR) varying from 0.35P0 to 0.7P0 and the amount of lateral reinforcements taken as 0.33% and 1.31% representing the non-ductile and ductile columns, respectively. This research outcome conclusively quantifies the combined effect of ACR levels and lateral reinforcement spacing on the flexural response and ductility characteristics of RC columns. The comparative analysis reveals that increased ACR levels resulted in a severe reduction in strength, deformability and ductility characteristics of both ductile and non-ductile columns. Structural response of ductile columns at higher ACR levels was comparable to the non-ductile columns, nullifying the beneficial effects of ductile design provisions. Higher ACR levels caused decline in pre-peak and post-peak response trajectories, leading to an earlier attainment of peak response at lower drift levels.
In this paper, energy absorption characteristics of circular windowed tubes with different section shapes (circular, ellipse, square, hexagon, polygon and pentagon) are investigated numerically and experimentally. The tube possesses the same material, thickness, height, volume and average cross sectional area which are subjected under axial and oblique quasi-static loading conditions. Numerical model was constructed with FE code ABAQUS/Explicit, the obtained outcome of simulation is in good matching with the experimental data. The energy absorbed, specific energy absorption, crash force efficiency, peak and mean loads along with the collapse modes with their initiation point of simple and windowed tubes were evaluated. The technique for order of preference by similarity ideal solution (TOPSIS) approach was employed for assessing their overall crushing performances. The obtained results confirm that efficacy of crash force indicators have improved by introducing windows and tubes with pentagonal and circular windows achieves the maximum ranking about 0.528 and 0.517, it clearly reveals the above are best window shapes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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