The present paper researches post-buckling behaviors of geometrically imperfect concrete beam resting on elastic foundation reinforced with graphene oxide powders (GOPs) based on finite element method (FEM). Distribution of GOPs are considered as uniform and linearly graded through the thickness. Geometric imperfection is considered as first buckling mode shape of the beam, the GOP reinforced beam is rested in initial position. The material properties of GOP reinforced composite have been calculated via employment of Halpin-Tsai micromechanical scheme. The provided refined beam element verifies the shear deformation impacts needless of any shear correction coefficient. The post-buckling load-deflections relations have been calculated via solving the governing equations having cubic non-linearity implementing FEM. Obtained findings indicate the importance of GOP distributions, GOP weight fraction, matrix material, geometric imperfection, shear deformation and foundation parameters on nonlinear buckling behavior of GOP reinforced beam.
The present study aims to evaluate the nonlinear and post-buckling behaviors of orthotropic graphene sheets exposed to end-shortening strain by implementing a semi-Galerkin technique, as a new approach. The nano-sheets are regarded to be on elastic foundations and different out-of-plane boundary conditions are considered for graphene sheets. In addition, nonlocal elasticity theory is employed to achieve the post-buckling behavior related to the nano-sheets. In the present study, first, out-of-plane deflection function is considered as the only displacement field in the proposed technique, which is hypothesized by an appropriate deflected form. Then, the exact nonlocal stress function is calculated through a complete solution of the von-Karman compatibility equation. In the next step, Galerkin's method is used to solve the unknown parameters considered in the proposed technique. In addition, three different scenarios, which are significantly different with respect to concept, are used to satisfy the natural in-plane boundary conditions and completely attain the stress function. Finally, the post-buckling behavior of thin graphene sheets are evaluated for all three different scenarios, and the impacts of boundary conditions, polymer substrate, and nonlocal parameter are examined in each scenario.
We in this paper study nonlinear bending of a functionally graded porous nanobeam subjected to multiple physical load based on the nonlocal strain gradient theory. For more reasonable analysis of nanobeams made of porous functionally graded magneto-thermo-electro-elastic materials (PFGMTEEMs), both constituent materials and the porosity appear gradient distribution in the present expression of effective material properties, which is much more suitable to the actual compared with the conventional expression of effective material properties. Besides the displacement function regarding physical neutral surface is introduced to analyze mechanical behaviors of beams made of FGMs. Then we derive nonlinear governing equations of PFGMTEEMs beams using the principle of Hamilton. To obtain analytical solutions, a two-step perturbation method is developed in nonuniform electric field and magnetic field, and then we use it to solve nonlinear equations. Finally, the analytical solutions are utilized to perform a parametric analysis, where the effect of various physical parameters on static bending deformation of nanobeams are studied in detail, such as the nonlocal parameter, strain gradient parameter, the ratio of nonlocal parameter to strain gradient parameter, porosity volume fraction, material volume fraction index, temperature, initial magnetic potentials and external electric potentials.
In this paper, the nonlinear vibration behavior of the spiral stiffened multilayer functionally graded (SSMFG) cylindrical shells exposed to the thermal environment and a uniformly distributed harmonic loading using a semi-analytical method is investigated. The cylindrical shell is surrounded by a nonlinear viscoelastic foundation consisting of a two-parameter Winkler-Pasternak foundation augmented by a Kelvin-Voigt viscoelastic model with a nonlinear cubic stiffness. The distribution of temperature and material constitutive of the stiffeners are continuously changed through the thickness direction. The cylindrical shell has three layers consisting of metal, FGM, and ceramic. The interior layer of the cylindrical shell is rich in metal, while the exterior layer is rich in ceramic, and the FG material is located between two layers. The nonlinear vibration problem utilizing the smeared stiffeners technique, the von Kármán equations, and the Galerkin method has been solved. The multiple scales method is utilized to examine the nonlinear vibration behavior of SSMFG cylindrical shells. The considered resonant case is 1:3:9 internal resonance and subharmonic resonance of order 1/3. The influences of different material and geometrical parameters on the vibration behavior of SSMFG cylindrical shells are examined. The results show that the angles of stiffeners, temperature, and elastic foundation parameters have a strong effect on the vibration behaviors of the SSMFG cylindrical shells.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.26
no.3
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pp.205-213
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2023
An optimal design of a simple beam-shaped flexure hinge mount supporting an optical mirror is presented. An optical mirror assembly is an opto-mechanically coupled system as the optical and mechanical behaviors interact. This side-supporting mount is flexible in the radial direction and rigid for the remaining degrees of freedom to support the mirror without transferring thermal load. Through thermo-elastic, optical and eigenvalue analysis, opto-mechanical performance was predicted to establish the objective functions for optimization. The key design parameters for this flexure are the thickness and length. To find the optimal values of design parameters, response surface analysis was performed using the design of experiment based on nested FCD. Optimal design candidates were derived from the response surface analysis, and the optimal design shape was confirmed through Opto-mechanical performance validation analysis.
Benshuai Liang;Guangtai Zhang;Mingyang Wang;Jinpeng Zhang;Jianhu Wang
Earthquakes and Structures
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v.24
no.6
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pp.415-428
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2023
Low-cost techniques with seismic isolation performance and excellent resilience need to be explored in the case of rural low-rise buildings because of the limited buying power of rural residents. As an inexpensive and eco-friendly isolation bearing, scrap tire pads (STPs) have the issue of poor resilience. Thus, a seismic isolation system under a column (SISC) integrated with STP needs to be designed for the seismic protection of low-rise rural buildings. The SISC, which is based on a simple exterior design, maintains excellent seismic performance, while the mechanical behavior of the internal STP provides elastic resilience. The horizontal behaviors of the SISC are studied through load tests, and its mechanical properties and the intrinsic mechanism of the reset ability are discussed. Results indicate that the average residual displacement ratio was 24.59%, and the reset capability was enhanced. Comparative experimental and finite element analysis results also show that the load-displacement relationship of the SISC was essentially consistent. The dynamic characteristics of isolated and fixed-base buildings were compared by numerical assessment of the response control effects, and the SISC was found to have great seismic isolation performance. SISC can be used as a low-cost base isolation device for rural buildings in developing countries.
Buried pipelines can be classified as continuous and segmented pipelines. These infrastructures can be damaged either by ground movement or by seismic wave propagation during an earthquake. Permanent ground deformations (PGD) include surface faulting, liquefaction-induced lateral spreading and landslide. Liquefaction is a major problem for both superstructures and infrastructures. Buyukcekmece lake zone, which is the studied region in this paper, is a liquefaction prone area located near the North Anatolian Fault Line. It is an active fault line in Turkey and a major earthquake with a magnitude of around 7.5 is expected in this investigated region in Istanbul. It is planned to be constructed a new 12" steel natural gas pipeline from one side of the lake to the other side. In this study, this case has been examined in terms of two different support conditions. Firstly, it has been defined as a beam in liquefied soil and has built-in supports at both ends. In the other approach, this case has been modeled as a beam in liquefied soil and has vertical elastic pinned supports at both ends. These models have been examined and some solution proposals have been produced according to the obtained results. In this study, based on this sample, it is aimed to determine the behaviors of buried continuous pipelines subject to liquefaction effects in terms of buoyancy.
Piles that support offshore wind turbine structures are dominantly subjected to cyclic lateral loads of wind, waves, and tidal forces. For a successful design, it is imperative to investigate the behavior of the cyclic laterally loaded piles; the p-y curve method, in which the pile and soil are characterized as an elastic beam and nonlinear springs, respectively, has been typically utilized. In this study, model pile tests were performed in a 1 g gravitational field so as to investigate the p-y behaviors of cyclic laterally loaded piles installed in saturated dense silty sand. Test results showed that cyclic lateral loads gradually reduced the overall stiffness of the p-y curves (initial stiffness and ultimate soil reaction). This is because the cyclic lateral loads disturbed the surrounding soil, which led to the decrement of the soil resistance. The decrement effects of the overall stiffness of the p-y curves became more apparent as the magnitude of cyclic lateral load increased and approached the soil surface. From the test results, the cyclic p-y curve was developed using a p-y backbone curve method. Pseudo-static analysis was also performed with the developed cyclic p-y curve, confirming that it was able to properly predict the behaviors of cyclic laterally loaded pile installed in saturated dense silty sand.
A detailed understanding of the mechanical behaviors for crushed coal rocks after grouting is a key for construction in the broken zones of mining engineering. In this research, experiments of grouting into the crushed coal rock using independently developed test equipment for solving the problem of sampling of crushed coal rocks have been carried out. The application of uniaxial compression was used to approximately simulate the ground stress in real engineering. In combination with the analysis of crack evolution and failure modes for the grouted specimens, the influences of different crushed degrees of coal rock (CDCR) and solidified grout strength (SGS) on the mechanical behavior of grouted specimens under uniaxial compression were investigated. The research demonstrated that first, the UCS of grouted specimens decreased with the decrease in the CDCR at constant SGS (except for the SGS of 12.3 MPa). However, the UCS of grouted specimens for constant CDCR increased when the SGS increased; optimum solidification strengths for grouts between 19.3 and 23.0 MPa were obtained. The elastic moduli of the grouted specimens with different CDCR generally increased with increasing SGS, and the peak axial strain showed a slightly nonlinear decrease with increasing SGS. The supporting effect of the skeleton structure produced by the solidified grouts was increasingly obvious with increasing CDCR and SGS. The possible evolution of internal cracks for the grouted specimens was classified into three stages: (1) cracks initiating along the interfaces between the coal blocks and solidified grouts; (2) cracks initiating and propagating in coal blocks; and (3) cracks continually propagating successively in the interfaces, the coal blocks, and the solidified grouts near the coal blocks. Finally, after the propagation and coalescence of internal cracks through the entire specimens, there were two main failure modes for the failed grouted specimens. These modes included the inclined shear failure occurring in the more crushed coal rock and the splitting failure occurring in the less crushed coal rock. Both modes were different from the single failure mode along the fissure for the fractured coal rock after grouting solidification. However, compared to the brittle failure of intact coal rock, grouting into the different crushed degree coal rocks resulted in ductile deformation after the peak strength for the grouted specimens was attained.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.2
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pp.93-100
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2022
The collision behaviors of the tripod and jacket structures, which are considered as support structures for offshore wind towers at the Southwest sea of Korea, were compared by nonlinear dynamic analysis. These structures, designed for the 3 MW capacity of the wind towers, were modeled using shell elements with nonlinear behaviors, and the tower structure including the nacelle, was modeled by beam and mass elements with elastic materials. The mass of the tripod structure was approximately 1.66 times that of the jacket structure. A barge and commercial ship were modeled as the collision vessel. To consider the tidal conditions in the region, the collision levels were varied from -3.5 m to 3.5 m of the mean sea level. In addition, the collision behaviors were evaluated as increasing the minimum collision energy at the collision speed (=2.6 m/s) of each vessel by four times, respectively. Accordingly, the plastic energy dissipation ratios of the vessel were increased as the stiffness of collision region. The deformations in the wind tower occurred from vibration to collapse of conditions. The tripod structure demonstrated more collision resistance than the jacket structure. This is considered to be due to the concentrated centralized rigidity and amount of steel utilized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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