The paper presents experimental and numerical investigations of prefabricated composite structural building reinforced concrete slabs with the insulating material for a residential building construction. The building slabs were composed of concrete and expanded polystyrene. In experiments, the slabs in the full-scale 1:1 were subjected to vertical concentrated loads and failed along a diagonal shear crack. The experiments were numerically evaluated using the finite element method based on two different constitutive continuum models for concrete. First, an elasto-plastic model with the Drucker-Prager criterion defined in compression and with the Rankine criterion defined in tension was used. Second, a coupled elasto-plastic-damage formulation based on the strain equivalence hypothesis was used. In order to describe strain localization in concrete, both models were enhanced in the softening regime by a characteristic length of micro-structure by means of a non-local theory. Attention was paid to the formation of critical diagonal shear crack which was a failure precursor.
In this work, we present the development of a 3D lattice-type model at microscale based upon the Voronoi-cell representation of material microstructure. This model can capture the coupling between mechanic and electric fields with non-linear constitutive behavior for both. More precisely, for electric part we consider the ferroelectric constitutive behavior with the possibility of domain switching polarization, which can be handled in the same fashion as deformation theory of plasticity. For mechanics part, we introduce the constitutive model of plasticity with the Armstrong-Frederick kinematic hardening. This model is used to simulate a complete coupling of the chosen electric and mechanics behavior with a multiscale approach implemented within the same computational architecture.
This paper proposes an effective method for optimizing the structure of functionally graded isotropic and incompressible linear elastic materials. The main emphasis is on utilizing a specialized polytopal composite finite element (PCE) technique capable of handling a broad range of materials, addressing common volumetric locking issues found in nearly incompressible substances. Additionally, it employs a continuum model for bi-directional functionally graded (BFG) material properties, amalgamating these aspects into a unified property function. This study thus provides an innovative approach that tackles diverse material challenges, accommodating various elemental shapes like triangles, quadrilaterals, and polygons across compressible and nearly incompressible material properties. The paper thoroughly details the mathematical formulations for optimizing the topology of BFG structures with various materials. Finally, it showcases the effectiveness and efficiency of the proposed method through numerous numerical examples.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.03a
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pp.434-443
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2009
Slope stability analysis is an essential part of rock slope design. For highly fractured rock, the limit equilibrium method (LEM) based slope stability analysis with a circular failure surface is often carried out assuming the rock mass behaves more or less as a continuum. This paper examines first, the applicability of the finite-element method (FEM) based shear strength reduction (SSR) technique for highly fractured rock slope, and second the use of Mohr-Coulomb (MC) failure criterion in conjunction with generalized Hoek-Brown (HB) failure criterion. The numerical results on a number of cases are compared in terms of the factor of safety (FS). The results indicated that the FEM-based SSR technique yields almost the same FSs from LEM, and that the MC and HB failure criteria yield almost identical FSs when the strength parameters for MC failure criterion are obtained based on the modified HB failure criterion if and only if value of the Hoek-Brown constant $m_i$ is smaller than 10 and slope angle is smaller than 1:1, otherwise MC failure criteria over-estimate the factor of safety.
This paper presents the application of hybrid-simulation-based adapter elements for the non-linear two-scale analysis of reinforced concrete frames with masonry infills under seismic-like demands. The approach provides communication and distribution of the computations carried out by two or more remote or locally distributed numerical models connected through the OpenFresco Framework. The modeling consists of a global analysis formed by macro-elements to represent frames and walls, and to reduce global degrees of freedom, portions of the structure that require advanced analysis are substituted by experimental elements and dimensional couplings acting as interfaces with their respective sub-assemblies. The local sub-assemblies are modeled by solid finite elements where the non-linear behavior of concrete matrix and masonry infill adopt a continuum damage representation and the reinforcement steel a discrete one, the conditions at interfaces between concrete and masonry are considered through a contact model. The methodology is illustrated through the analysis of a frame-wall system subjected to lateral loads comparing the results of using macro-elements, finite element model and experimental observations. Finally, to further assess and validate the methodology proposed, the paper presents the pushover analysis of two more complex structures applying both modeling scales to obtain their corresponding capacity curves.
From the equation of motion of a "bare" non-uniform beam (without any concentrated elements), an eigenfunction in term of four unknown integration constants can be obtained. When the last eigenfunction is substituted into the three compatible equations, one force-equilibrium equation, one governing equation for each attaching point of the concentrated element, and the boundary equations for the two ends of the beam, a matrix equation of the form [B]{C} = {0} is obtained. The solution of |B| = 0 (where ${\mid}{\cdot}{\mid}$ denotes a determinant) will give the "exact" natural frequencies of the "constrained" beam (carrying any number of point masses or/and concentrated springs) and the substitution of each corresponding values of {C} into the associated eigenfunction for each attaching point will determine the corresponding mode shapes. Since the order of [B] is 4n + 4, where n is the total number of point masses and concentrated springs, the "explicit" mathematical expression for the existing approach becomes lengthily intractable if n > 2. The "numerical assembly method"(NAM) introduced in this paper aims at improving the last drawback of the existing approach. The "exact"solutions in this paper refer to the numerical results obtained from the "continuum" models for the classical analytical approaches rather than from the "discretized" ones for the conventional finite element methods.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.1038-1043
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2003
There are many industrial applications including thin-body structures such as fins. For the numerical modeling of radiation of sound from thin bodies, the conventional boundary element method (BEM) using the Helmholtz integral equation fails to yield a reliable solution. Therefore, many researchers have tried to solve the thin-body acoustic problems. In the area of the design sensitivity analysis (DSA) and optimization methods, however, there has been just a few study reported. Especially fur the thin-body acoustics, however, no further study in the DSA and optimization fields has been reported. In this research, the normal derivative integral equation is adopted as an analysis formulation in the thin-body acoustics, and then used for the sizing DSA and optimization. Since the gradient-based method is used for the optimization, it is important to have accurate gradients (design sensitivities) of the objective function and constraints with respect to the design variables. The DSA formulations are derived through chain-ruled derivatives using the finite element method (FEM) and BEM by using the direct differentiation and continuum variation concepts. The proposed approaches are implemented and validated using a numerical example.
Jointed rock mass can be analyzed by either continuum model or discontinuum model. Finite element method or finite difference method is mainly used for continuum modelling. Although discontinuum model is very attractive in analyzing the behavior of each block in jointed blocky rock masses, it has shortcomings such that it is difficult to investigate each joint exactly with the present technology and the amount of calculation in computer becomes trio excessive. Moreover, in case of the jointed blocky rock mass which has more than 2 dominant joint sets, it is impossible to model the behavior of each block. Therefore, a model such as ubiquitous joint model theory which assumes the rock mass as a continuum, is required. In the case of tunnels, unlike slopes, it is not easy to obtain safety factor by utilizing analysis method based on limit equilibrium method because it is difficult to assume the shape of failure surface in advance. For this reason, numerical analyses for tunnels have been limited to analyzing stability rather than in calculating the safety factor. In this study, the behavior of a tunnel excavated in jointed rock mass is analyzed numerically by using ubiquitous joint model which can incorporate 2 joint sets and a method to calculate safety factor of the tunnel numerically is presented. To this end, stress reduction technique is adopted.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.3
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pp.223-233
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2011
A ceramic monolithic catalyst is a honeycomb structure that consists of two layers. The honeycomb structure is regarded as a continuum in structure and heat-flow analysis. The equivalent mechanical properties of the honeycomb structure were determined by performing finite element analysis (FEA) for a test specimen. Bending strength experiments and FEA of the test specimen used in ASTM C1674-08 standard test were performed individually. The bonding coefficient between the cordierite ceramic layer and the washcoat layer was almost zero. The FEA test specimen was modeled on the basis of the bonding coefficient. The elastic modulus, Poisson's ratio, and the thermal properties of the ceramic monolithic substrate were determined by performing the FEA of the test specimen.
Kim, Jin Man;Choe, Eun Hui;Park, Dae Gyu;Lee, Jae Hong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.20
no.2
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pp.303-312
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2008
In this paper, the seismic behavior of shear wal-frame systems is analyzed. The governing equations of the wall-frame systems with outrigger truss are formulated through the continuum approach and the whole structure is idealized as a shear-flexural cantileverwith rotational spring. The effect of shear deformation and flexural deformation of the wall-frame and outrigger trusses are considered and incorporated in the formulation of the wall-frame structures with and without outriggers are compared by using finite element analysis incorporated with the Newmark-${\beta}$ method. Numerical results are obtained and compared with the finite element package MIDAS. The proposed method is found to be simple and efficient, and provides reason ably accurate results in the early design stage of tall building structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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