Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.6
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pp.589-596
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2014
Joints, fasteners or connected parts frequently have a significant effect on the dynamical behavior of assembled mechanical structures. Therefore, the analytical prediction of structural responses depends on the accuracy of joint modeling. This paper deals with the formulation and analysis of dynamic mechanism for joint flexibilities whose relevant magnitudes of stiffnesses are investigated by using linear and torsional springs. The equation of motion is derived by using a generic joint in the middle of clamped-clamped beam. A reanalysis due to changes in magnitudes of joint stiffnesses is based on the reduced analysis where the binomial series terms are used as basis vectors. The solution procedures are straightforward and the method can be readily used with a general finite element method. The computational effort needed by this approach is usually much smaller than the effort needed for complete vibration analysis. Two numerical examples show that accurate results are obtained efficiently by reducing the number of degree in the reduced model.
Upgrading or strengthening of existing reinforced concrete (RC) infrastructure is an emerging demand nowadays. Near Surface Mounted (NSM) technique is very promising approach for flexural strengthening of RC members. However, premature failure such as concrete cover separation failure have been a main concern in utilizing this technique. In this study, U-wrap end anchorage with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) fabrics is proposed to eliminate the concrete cover separation failure. Experimental programs were conducted to the consequence of U-wrap end anchorage on the flexurally strengthened RC beams with NSM-steel. A total of eight RC rectangular beam specimens were tested. One specimen was kept unstrengthened as a reference; three specimens were strengthened with NSM-steel bars and the remaining four specimens were strengthened with NSM-steel bars and U-wrap end anchorage using CFRP fabrics. A 3D non-linear finite element model (FEM) was developed to simulate the flexural response of the tested specimens. It is revealed that NSM-steel (with and without end-anchors) significantly improved the flexural strength; moreover decreased deflection and strains compared with reference specimen. Furthermore, NSM-steel with end anchorage strengthened specimens revealed the greater flexural strength and improve failure modes (premature to flexure) compared with the NSM-steel without end anchorage specimens. The results also ensured that the U-wrap end anchorage completely eliminate the concrete cover separation failure.
Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
Tensile constitutive stress-strain model of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in fib MC2010 was investigated. In order to model tensile behavior of SFRC, three point loading flexural tests were conducted on notched small beams according to BE-EN-14651. Design parameters for the constitutive model were determined from the flexural tests. Flexural test and finite element analysis were conducted on large SFRC beam without steel reinforcements and compared with each other. In addition, parametric study on the effect of compressive and tensile model, and characteristic length on flexural behavior of the SFRC beam was conducted also. In results, pre-peak load-displacement curves from the FE analysis was close to experimental curves but significant difference was shown in post-peak behavior. The reason of the difference is originated from the fact that the fiber distribution and orientation were not being properly considered in the MC2010 model. This study shows that modification and detail explanations on the orientation factor K in MC2010 might require to better reproduce the behaviour of large scale SFRC beams.
Park, Yong-Koo;Kim, Hyun-Su;Ko, Hyun;Park, Hyun-Jae;Lee, Dong-Guen
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.1-10
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2011
Recently, there has been an increased interest in the noise isolation capacity of floor slabs, and thus an increase of slab thickness is required. In addition, long span floor systems are frequently used for efficient space use of building structures. In order to satisfy these requirements, a biaxial hollow slab system has been developed. To verify the structural capacity of a biaxial hollow slab system, safety verification against earthquake loads is essential. Therefore, the seismic behavior of a biaxial hollow slab system has been investigated using material nonlinear time history analyses. For efficient time history analyses, the equivalent plate element model previously proposed was used and the seismic capacity of the example structure having a biaxial hollow slab system has been evaluated using the nonlinear finite element model developed by the equivalent frame method. Based on analytical results, it has been shown that the seismic capacity of a biaxial hollow slab system is not worse than that of a flat plate slab system with the same thickness.
This study was designed to investigate force systems and tooth movements produced by retraction archwire during retraction of four maxillary incisors after the maxillary canine retraction into the maxillary first premolar extraction space using the computer-aided three-dimensional finite element method. A three-dimensional finite element model, consisting of 2248 elements and 3194 nodes, was constructed. The model consisted of maxillary teeth and surrounding periodontal membranes, .022'$\times$.028'-slot brackets, and 5 types of retraction archwires(.019'$\times$.025' stainless steel archwire) modeled using the beam elements. The contact between the wire and the bracket slot was modeled using the gap elements because of the non-linear elastic behaviors of the contact between them. The forces and moments, End displacements produced by retraction archwire were measured at various conditions to investigate the difference according to types of loops, magnitudes of activation force, gable angle, and anterior lingual root torque. The results were expressed quantitative and visual ways in the three-dimensional method. The following conclusions can be drawn from this study.1. When the tear-drop loop archwire was activated, the mesio-distal and lingual translational movements of the teeth helped to close the extraction space, but unwanted movements of the teeth including intrusions and extrusions, and rotational movements in each direction occurred. 2. Activation of T-loop archwire compared with those of other types of retraction archwires produced the least translational movements of the teeth helped to space closure and also the least unwanted movements of the teeth. 3. Increasing amount of activation in the tear-drop archwire led not only to increase of translational movements of the teeth helped to space closure, but also to increase of unwanted movements of the teeth. 4. Addition of gable bend in the tear-drop archwire helped anterior teeth to translational movements in the mesio-distal direction, but increased unwanted movements of the teeth 5. Addition of anterior lingual root torque in the tear-drop archwire helped central and lateral incisor to improve their facio-lingual inclination, but increased unwanted movements of the teeth.
Lee Tae-Yeol;Kim Young-Hoon;Shin Hyun-Yang;Kim Jae-Kwon
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.249-256
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2005
Rigorous FE(Finite Element) analyses of the cable-stayed bridge with steel-box girder, the main construction method of which is FCM (Free Cantilever Method), are presented in this paper. The analysis and the checking of design for a derrick crane under several loading conditions are performed using the software MIDAS/Civil and the beam elements are used to model the main structure. Among all the construction stages, special construction stages are chosen and considered to ensure the safety of segments of box girder The stress analysis for lifting of a segment of box girder is performed using the software SAP2000 and the shell elements of which having 6 DOF(Degrees Of Freedom) per nodes are successfully used to model the segment of box girder for the purpose of capturing the detailed behaviors on the folded-plates in the segment. Finally, concluding remarks are given to improve a design of the derrick crane and the segment based on the results from this study.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.9
no.2
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pp.133-143
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2015
This paper describes the test results and nonlinear analysis of reinforced concrete T-beams strengthened by bonded steel plates under increasing static loading conditions. The first part of this paper discusses the flexural tests on five T-beams, including the test model design (based on similarity principles), test programs, and test procedure. The second part discusses the nonlinear numerical analysis of the strengthened beams, in which a concrete damage plasticity model and a cohesive behavior were adopted. The numerical analysis results are compared with experimental data and show good agreement. The area of bonded steel plate and the anchor bolt spacing were found to have an impact on the cracking load, yield load, and ultimate load. An increase in the area of steel plate and a reduction of the anchor spacing could significantly improve the cracking and ultimate loads and decrease the damage of the beam.
In order to evaluate the structural safety from an earthquake, the seismic analysis of large structures such as GIS in electric power substations and equipments for nuclear power plant has been carried out because the seismic qualification by experiment is very expensive. This paper presents the seismic analysis of the 72.5kV GIS produced by LGIS. The finite element model of the GIS is developed and analyzed using ANSYS. The model consists of beam elements for the enclosures and mass elements for the conductors and the mechanisms. Using the transient analysis under seismic load, the structural safety is verified.
A shear experiment of one-way monotonic loading was carried out with the shear span ratio as the main experimental variable for reinforced concrete beam. Using the finite element analysis as the experimental analysis tool and the analysis method to compute the shear resistance of small shear span ratio, a new macro-model composed of crooked main strut and sub strut is proposed in consideration of the effect of bond action between re-bar and concrete based on the experimental result. The experimental finding affirmed the validity of the proposed macro-model when the shear span ratio was at or below 0.75 and confirmed that the experimental result was the most consistent with the computed analysis result when the effective factor of concrete compressive strength was set at 0.75.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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