For an analysis of dynamic behavior in carbon nanotube(CNT) which is widely used as micro and nano-sensors, an electrostatic force of CNT was investigated. For larger gaps in between sensor and electrode the van der Waals force can be ignored. The boundary condition in the CNT was assumed to clamped-clamped case at both ends. In this paper electrostatic force is expressed as linear equation along deflection using Taylor series. The first and second terms(${\zeta}_0$ and ${\zeta}_1$) of the linear equation are analyzed. Based on the simulation results nondimensional number ${\Phi}_0$ and ${\Phi}_1$ which came from ${\zeta}_0$ and ${\zeta}_1$ were decreased according to the increment of the gap. Reduction ratio of the second term ${\zeta}_1$ is increased up to 99% along to the increment of the gap. The higher order terms can be ignored and therefore, electrostatic force can be expressed using the first two terms of the linear equation. This results play an important role in analyzing the nonlinear dynamic behavior of the CNT as well as the pull-in voltage of simply supported switches.
Concrete is a heterogeneous material consisting of coarse aggregate, mortar matrix and interfacial zones at the meso level. Though studies have been done to interpret the fracture process in concrete using meso level models, not much work has been done for simulating the macroscopic behaviour of reinforced concrete structures using the meso level models. This paper presents a procedure for the mesoscopic analysis of reinforced concrete beams using a modified micro truss model. The micro truss model is derived based on the framework method and uses the lattice meshes for representing the coarse aggregate (CA), mortar matrix, interfacial zones and reinforcement bars. A simple procedure for generating a random aggregate structure is developed using the constitutive model at meso level. The study reveals the potential of the mesoscopic numerical simulation using a modified micro truss model to predict the nonlinear response of reinforced concrete structures. The modified micro truss model correctly predicts the load-deflection behaviour, crack pattern and ultimate load of reinforced concrete beams failing under different failure modes.
Finozzi, Irene Barbara Nina;Berto, Luisa;Saetta, Anna
Computers and Concrete
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v.15
no.3
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pp.411-436
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2015
In this work, a comprehensive approach to model the structural behaviour of Reinforced Concrete (RC) beams subjected to reinforcement corrosion is proposed. The coupled environmental - mechanical damage model developed by some of the authors is enhanced for considering the main effects of corrosion on concrete, on composite interaction between reinforcement bars and concrete and on steel reinforcement. This approach is adopted for reproducing a set of experimental tests on RC beams with different corrosion degrees. After the simulation of the sound beams, the main parameters involved in the relationships characterizing the effects of corrosion are calibrated and tested, referring to one degraded beam. Then, in order to validate the proposed approach and to assess its ability to predict the structural response of deteriorated elements, several corroded beams are analyzed. The numerical results show a good agreement with the experimental ones: in particular, the proposed model properly predicts the structural response in terms of both failure mode and load-deflection curves, with increasing corrosion level.
Quantitative condition assessment of structures has been traditionally using proof load test leading to an indication of the load-carrying capacity. Alternative approaches using ultrasonic, dynamics etc. are based on the unloaded state of the structure and anomalies may not be fully mobilized in the load resisting path and thus their effects are not fully included in the measured responses. This paper studies the effect of the load carried by a reinforced concrete beam on the assessment result of the crack damage. This assessment can only be performed with an approach based on static measurement. The crack damage is modelled as a crack zone over an area of high tensile stress of the member, and it is represented by a damage function for the simulation study. An existing nonlinear optimization algorithm is adopted. The identified damage extent from a selected high level load and a low load level are compared, and it is concluded that accurate assessment can only be obtained at a load level close to the one that creates the damage.
This study intends to explore dynamic interaction behaviors between actively controlled maglev vehicle and guideway girders by considering the nonlinear forms of electromagnetic force and current exactly. For this, governing equations for the maglev vehicle with ten degrees of freedom are derived by considering the nonlinear equation of electromagnetic force, surface irregularity, and the deflection of the guideway girder. Next, equations of motion of the guideway girder, based on the mode superposition method, are obtained by applying the UTM-01 control algorithm for electromagnetic suspension to make the maglev vehicle system stable. Finally, the numerical studies under various conditions are carried out to investigate the dynamic characteristics of the maglev system based on consideration of the linear and nonlinear electromagnetic forces. From numerical simulation, it is observed that the dynamic responses between nonlinear and linear analysis make little difference in the stable region. But unstable responses in nonlinear analysis under poor conditions can sometimes be obtained because the nominal air-gap is too small to control the maglev vehicle stably. However, it is demonstrated that this unstable phenomenon can be removed by making the nominal air-gap related to electromagnetic force larger. Consequently it is judged that the nonlinear analysis method considering the nonlinear equations of electromagnetic force and current can provide more realistic solutions than the linear analysis.
A new piezoceramic $d_{15}$ shear-induced torsion actuation mechanism representative benchmark is proposed and its experimentations and corresponding 3D finite element (FE) simulations are conducted. For this purpose, a long and thin smart sandwich cantilever beam is dimensioned and built so that it can be used later for either validating analytical Saint Venant-type solutions or for analyzing arm or blade-based smart structures and systems applications. The sandwich beam core is formed by two adjacent rows of 8 oppositely axially polarized d15 shear piezoceramic patches, and its faces are dimensionally identical and made of the same glass fiber reinforced polymer composite material. Quasi-static and static experimentations were made using a point laser sensor and a scanning laser vibrometer, while the 3D FE simulations were conducted using the commercial software $ABAQUS^{(R)}$. The measured transverse deflection by both sensors showed strong nonlinear and hysteretic (static only) variation with the actuation voltage, which cannot be caught by the linear 3D FE simulations.
The optimal condition for focusing an electron beam was investigated employing an electrostatic deflector in a low voltage micro-column. At fixed voltage of the electron emission tip, the focusing electron beam with source lens showed a larger scan field size and poorer visibility than those with an Einzel lens. Theoretical 3-D simulation indicated that a focusing electron beam with a source lens should have a larger spot size and deflection than those of a focusing Einzel lens.
Hosen, Md. Akter;Jumaat, Mohd Zamin;Saiful Islam, A.B.M.;Salam, Md. Abdus;Kim, Hung Mo
Computers and Concrete
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v.20
no.4
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pp.439-448
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2017
Reinforced concrete (RC) infrastructures often require strengthening due to error in design, degradation of materials properties after prolong utilization and increases load carrying capacity persuaded by new use of the structures. For this purpose, a newly proposed Side Near Surface Mounted (SNSM) composite technique was used for flexural strengthening of RC beam specimens. Analytical and non-linear finite element modeling (FEM) using ABAQUS were performed to predict the flexural performance of RC specimens strengthened with S-NSM using steel bars as a strengthening reinforcement. RC beams with various SNSM reinforcement ratios were tested for flexural performance using four-point bending under monotonic loading condition. Results showed significantly increase the yield and ultimate strengths up to 140% and 144% respectively and improved failure modes. The flexural response, such as failure load, mode of failure, yield load, ultimate load, deflection, strain, cracks characteristic and ductility of the beams were compared with those predicted results. The strengthened RC beam specimens showed good agreement of predicted flexural behavior with the experimental outcomes.
Kim, Jin-Woo;Park, Tong-Jin;Han, Chang-Soo;Chung, Kyul-Ryul
Proceedings of the KSME Conference
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2001.06b
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pp.571-577
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2001
In this paper, the dynamic response of the pantograph system that supplies electrical power to a high-speed rail vehicle were investigated. The analyses of the catenary based on the Finite Element Method (FEM) is executed to develop a pantograph fits well in high-speed focused on the dynamic characteristic analysis of the pantograph system. By simulation of the pantograph-catenary system, the static deflection of the catenary, the stiffness variation in contact lines, the dynamic response of the catenary undergoing constant moving load and the contact force analysis were executed. By the pantograph-catenary analysis, the design parameters of a pantograph could be optimized. For more improving the dynamic characteristics of the pantograph, the active-pantograph was investigated by controlling a contact force. The active pantograph showed the better performance compared to the parameter-optimized. However, the parameter-optimized pantograph would be acceptable for a high-speed rail vehicle through the design-parameter analysis.
Fiber reinforced polymer (FRP) applications in the structural engineering field include concrete-FRP composite systems, where FRP components are either attached to or embedded into concrete structures to improve their structural performance. This paper presents the results of an analytical study conducted using finite element model (FEM) to simulate the behavior of three-points load beam reinforced with GFRP and/or steel bars. To calibrate the FEM, a small-scale experimental program was carried out using six reinforced concrete beams with $200{\times}200mm$ cross section and 1000 mm length cast and tested under three point bending load. The six beams were divided into three groups, each group contained two beams. The first group was a reference beams which was cast without any reinforcement, the second group concrete beams was reinforced using GFRP, and the third group concrete beams was reinforced with steel bars. Nonlinear finite element simulations were executed using ANSYS software package. The difference between the theoretical and experimental results of beams vertical deflection and beams crack shapes were within acceptable degree of accuracy. Parametric study using the calibrated model was carried out to evaluate two parameters (1) effect of number and position of longitudinal main bars on beam behavior; (2) performance of concrete beam with composite longitudinal reinforcement steel and GFRP bars.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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