Many studies on the second-order analysis of reinforced concrete columns have been dealt for symmetric sections under uniaxial loading. However, actual columns are practically subjected to hiaxial loading. In order to more accurately predict the behavior of concrete columns under biaxial loading. the interaction between bending moments of major and minor axes should be considered. In this paper, a stiffness matrix of columns under biaxial loadings was derived and a numerical method was proposed. Numerical analyses, based on the proposed method. were performed to predict behavior of concrete columns with square and rectangular sections under various loading conditions. The analytical results were compared to those using the moment magnifier method in ACI code. It was found that the ultimate strength of concrete rectangular columns, fhr some cases of' biaxial loading conditions. calculated by the moment magnifier method was larger than the values based on the proposed method and therefore. may be ovet.'stimated.
Free-vibration and buckling analyses of plate problems are investigated with the aid of the strain gradient notation finite element method (SGN-FEM). As SGN-FEM employs physically interpretable polynomials in developing finite elements, parasitic shear sources, which are the cause of shear locking, can be precisely identified and subsequently eliminated. This allows two mutually complementary objectives to be defined in this work, namely, evaluate the efficiency of free-vibration and buckling results provided by corrected models, and study the severity of parasitic shear effects on plate models performance. Parasitic shear are flexural terms erroneously present in shear strain polynomials. It is reviewed here that six parasitic shear terms arise during the formulation of the four-node Mindlin plate element. Two parasitic shear terms have been identified in the in-plane shear strain polynomial while other two have been identified in each of the transverse shear strain polynomials. The element is corrected a-priori, i.e., during development, by simply removing the spurious terms from the shear strain polynomials. The computational implementation of the element in its two versions, namely, containing the parasitic shear terms (PS) and corrected for parasitic shear (SG), allows for assessments of the accuracy of results and of the deleterious effects of parasitic shear in free vibration and buckling analyses. This assessment of the parasitic shear effects is a novelty of this work. Validation of the SG model is done comparing its results with analytical results and results provided by other numerical procedures. Analyses are performed for square plates with different thickness-to-length ratios and boundary conditions. Results for thin plates provided by the PS model do not converge to the correct solutions, which indicates that parasitic shear must be eliminated. That is, analysts should not rely on refinement alone. For thick plates, PS model results can be considered acceptable as deleterious effects are really critical in thin plates. On the other hand, results provided by the SG model converge well for both thin and thick plates. The effectiveness of the SG model is established via high-accuracy results obtained in several examples. It is concluded that corrected SGN-FEM models are efficient alternatives for free-vibration and buckling analysis of Mindlin plate problems, and that precise elimination of parasitic shear is a requirement for sound analyses.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.7
no.1
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pp.141-150
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1987
The Soyanggang Dam completed in 1973 was well instrumented during construction period. The measured results for stresses and movements of the embankment have already been published elsewhere, but theoretical analyses have not been made until now. This study intends to analyze the stress and deformation behavior of the embankment numerically which have been subjected to the load of materials during construction and water load during impounding. The constitutive law used for the analyses is hyperbolic model developed by Duncan et al., and a nonlinear incremental finite element analysis simulating its contruction steps is. used in this study. Hyperbolic parameters for each Zone are estimated from literature. The results obtained from the theoretical analyses clearly show deformation characteristics and stress vectors in arbitrary section of the dam. The analytical results ate well agreed with the measured deformations at the maximum cross section, however, there are some discrepancy in horizontal movements and in stresses generated in the core zone. From the numerical analyses and its comparison with the measured values, it is charaterized that relatively large construction settlements occurred in core zone, overburden pressure in the core zone was considerably reduced by arching effect, and tension zones might occur near both abutments because of the large horizontal displacement.
This paper is to provide the allowable limit blasting-induced vibration for road structures and facilities. For this purpose, first of all, this study examined various allowable limits of different structures from domestic and foreign countries, investigated related problems of the limits used in the country, and suggested the measures to minimize the related problems. Furthermore, this study proposed the blasting-induced vibration limit of road structures and facilities that could be used in the country from comparing and analyzing the various limits from foreign countries. To verify the proposed limit for a practical use in the field, field cases that had both a vibration magnitude and a damage level were collected and they were compared with the proposed limit. In addition, the proposed limit was also compared with the results of analytical and numerical analyses. The comparison and analysis indicated that the proposed limit of different road structures and facilities is valid for the practical use in the field. From this study, the proposed limit is expected to be used as the limit to estimate the damage levels of road structures and facilities due to blasting-induced vibrations in the field.
Recent earthquakes have demonstrated that the tunnels, which were once considered to be highly resistant to earthquakes, are susceptible to substantial damage under severe seismic loading. Among various modes of deformation under an earthquake loading, the response of the tunnel in the transverse direction is known to be the critical mode. This paper investigates the seismic response of the tunnel in the transverse direction using the method of seismic displacement, which is a type of pseudo-static analysis. Firstly, the methods of calculating the ground deformation are compared. It is shown that the single and double cosine may not provide an accurate estimation of the ground deformation, and that a one-dimensional site response analysis needs to be performed for a more reliable evaluation. Secondly, the tunnel responses are calculated using the simplified, analytical, and numerical solutions. It is demonstrated that the simplified method provides poor estimates of the tunnel response ground deformation. The analytical solution is shown to be effective in modeling circular tunnels in uniform ground, but has serious limitation in modeling tunnel response in non-uniform ground. Numerical analyses are shown to be applicable to all cases, and give the most accurate estimates of the tunnel response. It is also demonstrated that the linear solutions can be so conservative that the soil nonlinearity needs to be accounted for more accurate evaluation of the tunnel response.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.5
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pp.511-520
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2007
There is a concern with worldwide deterioration of highway bridges, particularly reinforced concrete. The advantages of fibre reinforced plastic(FRP) composites over conventional materials motivate their use in highway bridges for replacement of structures. Recently, an FRP deck has been installed on a state highway, located in New York State, as an experimental project. In this paper, a systematic approach for analysis of this FRP deck bridge is presented. Multi-step linear numerical analyses have been performed using the finite element method to study the structural behavior and the possible failure mechanism of the FRP deck-superstructure system. Deck's self-weight and ply orientations at the interface between steel girders and FRP deck are considered in this study. From this research, the results of the numerical analyses were corroborated with field test results. Analytical results reveal several potential failure mechanism for the FRP deck and truss bridge system. The results presented in this study may be used to propose engineering design guideline for new and replacement FRP bridge deck structure.
Numerical models for seepage analysis are useful tools to analyze problems and design protection techniques that are related to seepage through a levee. Though every model may have its own limitations and shortcomings, there were no generalized verifications or calibrations for the commercial models. It means that users can run the model and get the result without understanding nor taking any enough training. This paper Investigates applicability and suitability of some seepage numerical models by comparing analytical solutions with experiments in the user's viewpoint. The results showed that it is more desirable to use analyses with unsaturated-unsteady condition rather than those with saturated-steady conditions, since seepage phenomenon of real levees are changed according to water level and soil property. This study also compared the calculated unsteady solutions with the calculated steady solutions for the levee at Koa of the Nakdong River The comparison revealed that as the result, the safety factor of $2.0{\sim}3.5$ has the same effects for seepage protection techniques when they are designed on the basis of steady-state analysis.
This study aims to investigate the characteristics of wave generation in a deep ocean engineering basin and to develop a meta-model of the transfer function of the wavemaker that reflects the geometric characteristics of the deep ocean engineering basin. To this end, the two-dimensional frequency domain boundary element method was applied to achieve an efficient analysis that reflects the geometric characteristics of the deep ocean engineering basin. The developed numerical method was validated through comparison with the analytical solution. Numerical analyses were conducted for the boundary value problem of the wavemaker according to various periods and the positions of the movable bottom. The numerical results were used to investigate the effect of the geometric characteristics of the deep ocean engineering basin on the transfer function of the wavemaker, and the effect of depth on wave generation was checked by changing the position of the movable bottom. To efficiently utilize the various results of the boundary element method, a meta-model, an approximate model of the transfer function of the wave maker, was developed using a thin plate spline interpolation model. The validity of the developed meta-model was confirmed through a comparison of the results of the model tests.
This paper investigates the dynamic response of structures during earthquakes and provides a clear understanding of soil-structure interaction phenomena. It analyses various parameters, comprising ground shear wave velocity and structure properties. The effect of soil impedance function form on the structural response of the system through the use of springs and dashpots with two frequency cases: independent and dependent frequencies. The superstructure and the ground were modeled linearly. Using the substructure method, two different approaches are used in this study. The first is an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. The second is a numerical analysis generated with 2D finite element modeling using ABAQUS software. The superstructure is represented as a SDOF system in all the SSI models assessed. This analysis establishes the key parameters affecting the soil-structure interaction and their effects. The different results obtained from the analysis are compared for each studied case (frequency-independent and frequency-dependent impedance functions). The achieved results confirm the sensitivity of buildings to soil-structure interaction and highlight the various factors and effects, such as soil and structure properties, specifically the shear wave velocity, the height and mass of the structure. Excitation frequency, and the foundation anchoring height, also has a significant impact on the fundamental parameters and the response of the coupled system at the same time. On the other hand, it have been demonstrated that the impedance function forms play a critical role in the accurate evaluation of structural behavior during seismic excitation. As a result, the evaluation of SSI effects on structural response must take into account the dynamic properties of the structure and soil accordingly.
Using a probabilistic safety assessment, a risk evaluation framework for an aircraft crash into an interim spent fuel storage facility is presented. Damage evaluation of a detailed generic cask model in a simplified building structure under an aircraft impact is discussed through a numerical structural analysis and an analytical fragility assessment. Sequences of the impact scenario are shown in a developed event tree, with uncertainties considered in the impact analysis and failure probabilities calculated. To evaluate the influence of parameters relevant to design safety, risks are estimated for three specification levels of cask and storage facility structures. The proposed assessment procedure includes the determination of the loading parameters, reference impact scenario, structural response analyses of facility walls, cask containment, and fuel assemblies, and a radiological consequence analysis with dose-risk estimation. The risk results for the proposed scenario in this study are expected to be small relative to those of design basis accidents for best-estimated conservative values. The importance of this framework is seen in its flexibility to evaluate the capability of the facility to withstand an aircraft impact and in its ability to anticipate potential realistic risks; the framework also provides insight into epistemic uncertainty in the available data and into the sensitivity of the design parameters for future research.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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