The behavior of a jointed rock mass depends mainly on the geometrical and mechanical properties of joints. The failure mode of a rock mass and kinematics of rock blocks are governed by the orientation, spacing, and persistence of joints. The mechanical properties such as dilation angle, shear strength, maximum closure, strength of asperities and friction coeffiient play important roles on the stability and deformation of the rock mass. The normal and shear behaviour of a joint are coupled due to dilation, and the joint deformation depends also on the boundary conditions such as stiffness conditons. In this paper, the joint constitutive law including the dilatant behaviour of a joint is numerically modelled using the edge-to-edge contact logic in distinct element method. Also, presented is the method to quantify the input parameters used in the joint law. The results from uniaxial compression and direct shear tests using the numeical model of the single joint were compared to the analytic results from them. The boundary effect on the behaviour of a joint is verified by comparing the results of direct shear test under constant stress boundary condition with those under constant stiffness boundary condition. The numerical model developed is applied to a complex jointed rock mass to examine its performance and to evaluate the effect of joint dilation on tunnel stability.
In engineering practice, tubular connections are usually assumed pinned or rigid. Recent research showed that tubular joints may exhibit non-rigid behavior under axial or bending loads. This paper is concerned with establishing a new classification for tubular joints and investigating the effect of joint rigidity on the global behavior of CHS (Circular Hollow Section) lattice girders. Parametric formulae for predicting tubular joint rigidities are proposed, which are based on the finite element analyses through systematic variation of the main geometric parameters. Comparison with test results proves the reliability of these formulae. By considering the deformation patterns of respective parts of Vierendeel lattice girders, the boundary between rigid and semirigid tubular connections is built in terms of joint bending rigidity. In order to include characteristics of joint rigidity in the global structural analysis, a type of semirigid element which can effectively reflect the interaction of two braces in K joints is introduced and validated. The numerical example of a Warren lattice girder with different joint models shows the great effect of tubular joint rigidities on the internal forces, deformation and secondary stresses.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.585-592
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2005
In this paper, we present the principle of virtual work, from which the exact non-linear equations of motion of a rotating ring can be derived, by using the theory of finite deformation For a thin ring of which the effect of variation in curvature across the cross-section is neglected, the radial displacement and the extensional stress are determined from the principle of virtual work at the steady state where the ring is rotating with a constant angular velocity. And also we formulate systematically the governing equations concerned to the in-plane vibrations and the out-of-plane vibrations at the disturbed state by using the principle of virtual work which is expressed with the disturbed displacements about the steady state. The formulated governing equations are classified by four models along the cases of considering or neglecting all or partly the secondary effects of flexural shear, rotary inertia, circumferential extension, and twist inertia. The natural vibrations of thin rings are analyzed, and its results are compared and discussed.
Analytical formulations and solutions for the first time, to the stability analysis of a simply supported composite and sandwich plates based on a higher order refined theory, developed by the first author and already reported in the literature are presented. The theoretical model presented herein incorporates laminate deformations which account for the effects of transverse shear deformation, transverse normal strain/stress and a nonlinear variation of inplane displacements with respect to the thickness coordinate - thus modelling the warping of transverse cross sections more accurately and eliminating the need for shear correction coefficients. The equations of equilibrium are obtained using the Principle of Minimum Potential Energy (PMPE). The comparison of the results using this higher order refined theory with the available elasticity solutions and the results computed independently using the first order and the other higher order theories developed by other investigators and available in the literature shows that this refined theory predicts the critical buckling load more accurately than all other theories considered in this paper. New results for sandwich laminates are also presented which may serve as a benchmark for future investigations.
This paper presents a new approach to predict the racking load-displacement response of plasterboard clad walls found in Australian light-framed residential structures under monotonic racking load. The method is based on a closed-form mathematical model, described herein as the 'Modularised' Closed-Form Mathematical model or MCFM model. The model considers the non-linear behaviour of the connections between the plasterboard cladding and frame. Furthermore, the model is flexible as it enables incorporation of different nailing patterns for the cladding. Another feature of this model is that the shape of stud deformation is not assumed to be a specific function, but it is computed based on the strain energy approach to take account of the actual load deformation characteristics of particular walls. Verification of the model against the results obtained from a detailed Finite Element (FE) model is also reported. Very good agreement between the closed form solution and that of the FE model was achieved.
Jan, Muhammad Asad;Nizamani, Zubair Ahmed;Park, Duhee
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.22
no.1
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pp.13-20
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2021
A suite of 3D large deformation finite element (FE) analyses was performed to investigate the load transfer mechanism and penetration resistance of spudcan foundations in heterogeneous soil profile consisting of sand and clay. The Elasto-Plastic models following Mohr-Coulomb and Tresca failure criteria were adopted for sand and clay, respectively. The accuracy of the numerical model was validated against centrifuge test measurements. The dense sand behavior with dilation is modeled using the non-associated flow rule. An investigation study consisting of key parameters, which includes variation in soil stratigraphy (sand-clay, sand-clay-sand), strength parameters of sand and clay (' and su) and normalized height ratio of the sand layer (Hs/D) was conducted to assess the penetration behavior of spudcan. Based on calculated outputs, it was demonstrated that these parameters have a significant influence on the penetration resistance of spudcan. The calculated penetration resistance profiles are compared with the published (sand overlying clay) analytical model. It is confirmed that for the case of two-layer soil, the available theoretical model provides an accurate estimate of peak penetration resistance (qpeak). In the case of three-layer soil, the presence of a third stiff layer affects the penetration resistance profile due to the squeezing of the soil.
Hou, Suxia;Wu, Shengbin;Luo, Jijun;Nasihatgozar, Mohsen;Behshad, Amir
Steel and Composite Structures
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v.45
no.4
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pp.555-562
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2022
Improving the mechanical properties of concrete in the construction industry in order to increase resistance to dynamic and static loads is one of the essential topics for researchers. In this work, vibration analysis of elastic nanocomposite beams reinforced by nanoparticles based on mathematical model is presented. For modelling of the strucuture, sinusoidal shear deformation beam theory (SSDBT) is utilized. Mori-anak model model is utilized for obtaining the effective properties of the strucuture including agglomeration influences. Utilizing the energy method and Hamilton's principal, the motion equations are calculated. The frequency of the elastic nanocomposite beam is obtanied by analytical method. The aim of this work is investigating the effects of nanoparticles volume percent and agglomeration, length and thickness of the beam on the frequency of the structure. The results show that the with enhancing the nanoparticles volume percent, the frequency is increased. In addition, the water absorption of the concrete is presented in this article.
An accurate and highly efficient inverse element labelled iPCB is developed based on the inverse finite element method (iFEM) for real-time shape estimation of plane-curved structures (such as arch bridges) utilizing onboard strain data. This inverse problem, named shape sensing, is vital for the design of smart structures and structural health monitoring (SHM) procedures. The iPCB formulation is defined based on a least-squares variational principle that employs curved Timoshenko beam theory as its baseline. The accurate strain-displacement relationship considering tension-bending coupling is used to establish theoretical and measured section strains. The displacement fields of the isoparametric element iPCB are interpolated utilizing nonuniform rational B-spline (NURBS) basis functions, enabling exact geometric modelling even with a very coarse mesh density. The present formulation is completely free from membrane and shear locking. Numerical validation examples for different curved structures subjected to different loading conditions have been performed and have demonstrated the excellent prediction capability of iPCBs. The present formulation has also been shown to be practical and robust since relatively accurate predictions can be obtained even omitting the shear deformation contributions and considering polluted strain measures. The current element offers a promising tool for real-time shape estimation of plane-curved structures.
An excavation damaged zone (EDZ) is created by fracturing, excavation or stress redistribution of tunnels. In this zone the mechanical and hydraulic properties of rock are changed, which makes additional cracks and serves as a dominant pathway of groundwater flow. In this study, an assessment on an EDZ size was practiced by the measurement of the deformation modulus at the KAERI underground research tunnel (KURT), and the information was applied to the modelling analysis using FLAC2D software. The EDZ at KURT fell into the range of 0.6~1.8m and the deformation moduli of the EDZ generally correspond to about 40% of intact rock mass. With a consideration of the EDZ in numerical analysis, tunnel displacements increased by about 65% and the maximum principal stress decreased to 58% from the case without EDZ. The plastic zone of the tunnel was enlarged to the crown and invert zones of the tunnel within the range of the length of rock bolts. About 2% of the total tunnel displacement with EDZ was suppressed by the KURT support system. It is anticipated that the investigation of an EDZ can be used as an important and fundamental research for validating the overall performance of a high level waste disposal system.
Moon, Do Young;Kang, Jae Mo;Lee, Janggeun;Lee, Sang Yoon
Journal of the Korean Geosynthetics Society
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v.13
no.4
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pp.109-117
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2014
Using the finite element analysis model presented in accompanying paper, parametric study was performed in this paper. Various parameters were considered such as the width of wheel loads-induced permanent plastic deformation, backfill, equivalent thickness and orthogonal characteristic of steel mats. The effects of these parameters were analyzed for vertical and rotational displacements, maximum moment and tensile stress. From the parametric studies, it is found that great vertical deflection and tensile stress above allowable flexural tensile strength are developed in steel mats by the wheel loads-induced permanent plastic deformation. Backfill or increasing the thickness of steel mats is a feasible solution on this problem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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