Due to the escalation in hydrocarbon consumption, the offshore industry is now looking for advanced technology to be employed for deep sea exploration. Riser system is an integral part of floating structure used for such oil and gas extraction from deep water offering a system of drill twines and production tubing to spread the exploration well towards the ocean bed. Thus, the marine risers need to be precisely employed. The incorporation of the strengthening material, fiber reinforced polymer (FRP) for deep and ultra-deep water riser has drawn extensive curiosity in offshore engineering as it might offer potential weight savings and improved durability. The design for FRP strengthening involves the local design for critical loads along with the global analysis under all possible nonlinearities and imposed loadings such as platform motion, gravity, buoyancy, wave force, hydrostatic pressure, current etc. for computing and evaluating critical situations. Finite element package, ABAQUS/AQUA is the competent tool to analyze the static and dynamic responses under the offshore hydrodynamic loads. The necessities in design and operating conditions are studied. The study includes describing the methodology, procedure of analysis and the local design of composite riser. The responses and fatigue damage characteristics of the risers are explored for the effects of FRP strengthening. A detail assessment on the technical expansion of strengthening riser has been outlined comprising the inquiry on its behavior. The enquiry exemplifies the strengthening of riser as very potential idea and suitable in marine structures to explore oil and gas in deep sea.
In the stability and sensitivity design and diagnosis approaches, there are various methodologies available. Bond graph modeling by lumping technique is one of the universal methodologies in methodical analysis used by many researchers in all over the world. The accuracy of the method is validated in different arenas. Bond graphs are a concise, pictorial representation of the energy storage, dissipation and exchange mechanisms of interacting dynamic systems, subsystems and components. This paper proposes a bond graph modeling for distributed parameter systems using lumping techniques. Therefore, a steel frame structure was modeled to analyze employing bond graph modeling of distributed system using lumping technique. In the analytical part, the effectiveness of bond graphs to model this system is demonstrated. The dynamic responses of the system were computed and compared with those computed from the finite element analysis. The calculated maximum deflection time histories were found to be comparable. The sensitivity and the stability of the steel frame structure was also studied in different aspects. Thus, the proposed methodology, with its simplicity, can be used for stability and sensitivity analyses as alternative to finite element method for steel structures. The major value brought in the practical design is the simplicity of the proposed method for steel structures.
Wang, Hai-Tao;Wu, Gang;Pan, Yu-Yang;Zakari, Habeeb M.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.629-640
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2019
This paper presents a theoretical and finite element (FE) study on the stress intensity factors of double-edged cracked steel beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plates. By simplifying the tension flange of the steel beam using a steel plate in tension, the solutions obtained for the stress intensity factors of the double-edged cracked steel plate strengthened with CFRP plates were used to evaluate those of the steel beam specimens. The correction factor α1 was modified based on the transformed section method, and an additional correction factor φ was introduced into the expressions. Three-dimensional FE modeling was conducted to calculate the stress intensity factors. Numerous combinations of the specimen geometry, crack length, CFRP thickness and Young's modulus, adhesive thickness and shear modulus were analyzed. The numerical results were used to investigate the variations in the stress intensity factor and the additional correction factor φ. The proposed expressions are a function of applied stress, crack length, the ratio between the crack length and half the width of the tension flange, the stiffness ratio between the CFRP plate and tension flange, adhesive shear modulus and thickness. Finally, the proposed expressions were verified by comparing the theoretical and numerical results.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.5
no.4
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pp.1-11
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2001
A theory for time-dependent, high temperature ablation of poroelastic carbon composite insulators is applied using finite element methods to determine material properties from experimental data. The theory contains important revisions to that in Lee, Salamon and Sullivan[1] by making a sharp distinction between Biots constants and permeability and setting both to analytical functions of porosity. The finite element program and material modeling has been modified to (1) more closely adhere to porous-material theory, (2) include a newly discovered analytical simplification and (3) refine the material property descriptions. Application to experimental problems and comparisons with data permit determination of Biots constants and permeability and their evolution with respect to matrix decomposition and clearly show how material parameters affect the material response, e.g., amplitude and the location of peaks with respect to temperature. In particular, the response is very sensitive to permeability and dominated by it.
본 연구는 합성교량의 경우 브라켓이나 가로보에 사용되고 비합성교량의 경우 연결재로 사용되는 스랩앵커를 Push-Out Test를 하여 실험으로 얻은 특성을 실제 소수주형모델에 적용하여 FEM해석을 통하여 거동특성을 파악 하고자 한다. 일반적으로 전단연결재 실험의 경우 콘크리트 슬래브와 강재 주형 사이에 직접 길이 방향 전단력을 작용시킬 수 있을 뿐 아니라 실험의 편리함 때문에 주로 Push-out 실험이 많이 이용되고 있다. 본 실험에서는 BS-5400에 제시된 바에 근거하여 실험체를 제작하였다. 이 실험을 통하여 탄성구간에서의 강성(k) 값을 알아내어 3D FEM 해석에 적용한다. 이때 콘크리트 바닥판과 강재와의 연결을 축 방향으로는 특정한 강성 값을 넣을 수 있는 Joint Element를 사용하여 연결시키고, 1경간 단순지지와 2경간 연속교에 대하여 연구를 수행하는데, 1경간 단순지지의 경우에는 Joint Element에 여러 강성 값과 실험을 통해 얻은 강성 값을 적용하여 합성거동을 파악하고 강성 값에 따른 합성정도를 규명하고자 한다. 또한 2경간 연속교에서는 슬랩앵커의 강성 값을 적용하여 많이 문제시되고 있는 내부지점부에 슬랩앵커를 사용하였을 때 슬래브의 인장응력이 어떤 변화양상을 나타내는지 파악 하고자한다.
A series of tests on simple-welded plate specimens (SWPS) and T-stub tension specimens simulating some of the joint details in moment frame connections were conducted in this investigation. The effects of weld strength mismatch and weld metal toughness on structural behavior of these specimens were considered under both static and dynamic loading conditions. Finite element analyses were performed by taking into account typical weld residual stress distributions and weld metal strength mismatch conditions to facilitate the interpretation of the test results. The major findings are as follows: (a) Sufficient specimen size requirements are essential in simulating both load transfer and constraint conditions that are relevant to moment frame connections, (b) Weld residual stresses can significantly elevate stress triaxiality in addition to structural constraint effects, both of which can significantly reduce the plastic deformation capacity in moment frame connections, (c) Based on the test results, dynamic loading within a loading rate of 0.02 in/in/sec, as used in this study, premature brittle fractures were not seen, although a significant elevation of the yield strength can be clearly observed. However, brittle fracture features can be clearly identified in T-stub specimens in which severe constraint effects (stress triaxiality) are considered as the primary cause, (d) Based on both the test and FEA results, T-stub specimens provide a reasonable representation of the joint conditions in moment frame connections in simulating both complex load transfer mode and constraint conditions.
It is well understood that concentrated forces applied in the plane of a beam or panel (such as a wall or slab) lead to splitting forces developing within a disturbed region forming beyond the bearing zone. In a linearly elastic material the length of the disturbed region is approximately equal to the depth of the member. In concrete structures, however, the length of the disturbed region is a function of the orthotropic properties of the concrete-steel composite. In the detailing of steel reinforcement within the disturbed regions two limit states must be satisfied; strength and serviceability (in this case the serviceability requirement being acceptable crack widths). If the design requires large redistribution of stresses, the member may perform poorly at service and/or overload. In this paper the results of a plane stress finite element investigation of concentrated loads on reinforced concrete panels are presented. Two cases are examined (i) panels loaded concentrically, and (ii) panels loaded eccentrically. The numerical investigation suggests that the bursting force distribution is substantially different from that calculated using elastic design methods currently used in some codes of practice. The optimum solution for a uniformly reinforced bursting region was found to be with the reinforcement distributed from approximately 0.2 times the effective depth of the member ($0.2D_e$) to between $1.2D_e$ and $1.6D_e$. Strut and tie models based on the finite element analyses are proposed herein.
Singh, Gajbir;Rao, G. Venkateswara;Iyengar, N.G.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.3
no.2
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pp.121-133
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1995
It is well known that two-dimensional simplified third-order theories satisfy the layer interface continuity of transverse shear strains, thus these theories violate the continuity of transverse shear stresses when two consecutive layers differ either in fibre orientation or material. The third-order theories considered herein involve four/or five dependent unknowns in the displacement field and satisfy the condition of vanishing of transverse shear stresses at the bounding planes of the plate. The objective of this investigation is to examine (i) the flexural response prediction accuracy of these third-order theories compared to exact elasticity solution (ii) the effect of layer interface continuity conditions on the flexural response. To investigate the effect of layer interface continuity conditions, three-dimensional elasticity solutions are developed by enforcing the continuity of different combinations of transverse stresses and/or strains at the layer interfaces. Three dimensional twenty node solid finite element (having three translational displacements as degrees of freedom) without the imposition of any of the conditions on the transverse stresses and strains is also employed for the flexural analysis of the laminated plates for the purposes of comparison with the above theories. These shear deformation theories and elasticity approaches in terms of accuracy, adequacy and applicability are examined through extensive numerical examples.
In order to investigate the flexural bearing capacity of panel zone of diaphragm-through joint between concrete filled square steel tubular column and steel beam, four specimens were tested under static tension loads to study the mechanical properties and bearing capacity of diaphragm-through joints with a failure mode of panel zone. Finite element models of these specimens were developed to simulate the test and compare the predicted failure modes, load-displacement curves and bearing capacities with the experimentally observed. It was found that the tensile load from the steel beam flange is mainly shared by the square steel tube and the diaphragm. The diaphragm plastic zone appears along the cross-section lines enclosed by the square steel tube and the influence of steel beam web on the plastic zone of the steel tube is significant and cannot be neglected. Computational models of yield lines on square steel tube and diaphragm are established based on the distribution pattern of the plastic zone, and an analytical method for the evaluation of the bearing capacity of the joint is proposed. The theoretical results and the experimental data are compared and found in good agreement.
This paper presents an investigation of the effect of inclined stiffeners on the load-carrying capacity of simply-supported hot-rolled steel I-beams under various load conditions. The study is carried out using finite element analysis. A series of beams modeled using 3-D solid finite elements with consideration of initial geometric imperfections, residual stresses, and material nonlinearity are analyzed with and without inclined stiffeners to show how the application of inclined stiffeners can offer a noticeable increase in their lateral-torsional buckling (LTB) capacity. The analysis results have shown that the amount of increase in LTB capacity is primarily dependent on the location of the inclined stiffeners and the lateral unsupported length of the beam. The width, thickness and inclination angle of the stiffeners do not have as much an effect on the beam's lateral-torsional buckling capacity when compared to the stiffeners' location and beam length. Once the optimal location for the stiffeners is determined, parametric studies are performed for different beam lengths and load cases and a design equation is developed for the design of such stiffeners. A design example is given to demonstrate how the proposed equation can be used for the design of inclined stiffeners not only to enhance the beam's bearing capacity but its lateral-torsional buckling strength.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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