An incremental approach to predict the time dependent flexural behavior of composite girder is presented in the framework of incremental finite element method. Age dependent nature of creep, shrinkage, and maturing of elastic modulus of concrete is prescribed in the incremental tangent description of constitutive relation derived based on the first order Taylor series expansion applying to the total from of stress-strain relation. The loop phenomenon in which age dependent nature of concrete causes stress redistribution and it causes creep in turn is taken into account in the formulation through the incremental representation of constitutive relation. The developed algorithm predicts the time dependent deflections of 4.8m long two span double composite box girder subjected to shrinkage, maturing of elastic modulus, and creep initially induced by self weight. Comparison shows a good agreement between the predicted and measured results.
Ha, Tae Hyu;Cho, Bong-Ho;Kim, Tae Hyeong;Lee, Doo Yong;Eom, Tae Sung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.5
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pp.519-530
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2013
Cyclic tests on modular building units for low-rise buildings composed of stud panels and a light-weight steel perimeter frame, were performed to evaluate the earthquake resistance such as stiffness, load-carrying capacity, ductility, and energy dissipation per load cycle. The strap-braced and sheeted stud panels were used as the primary lateral load-resistant element of the modular building units. Test results showed that the modular building units using the strap-braced and sheeted stud panels exhibited excellent post-yield ductile behaviors. The maximum drift ratios were greater than 5.37% and the displacement ductility ratios were greater than 5.76. However, the energy dissipation per load cycle was poor due to severe pinching during cyclic loading. Nominal strength, stiffness, and yield displacement of the modular building units were predicted based on plastic mechanisms. The predictions reasonably and conservatively correlated with the test results. However, the elastic stiffness of the strap-braced stud panel was significantly overestimated. For conservative design, the elastic stiffness of the strap-braced stud panel needs be decreased to 50% of the nominal value.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.3
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pp.255-263
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2017
This paper presents a beam element capable of conducting material and geometric nonlinear analysis for applications requiring the ultimate behavioral analysis of structures with composite cross-sections. The element formulation is based on co-rotational kinematics to simulate geometrically nonlinear behaviors, and it uses the fiber section method to calculate the stiffness and internal forces of the element. The proposed element was implemented using an in-house numerical program in which an arc-length method was adopted to trace severe nonlinear responses(such as snap-through or snapback), as well as ductile behavior after the peak load. To verify the proposed method of element formulation and the accuracy of the program that was used to employ the element, several numerical studies were conducted and the results from these numerical models were compared with those of three-dimensional continuum models and previous studies, to demonstrate the accuracy and computational efficiency of the element. Additionally, by evaluating an example case of a frame structure with a composite member, the effects of differences between composite material properties such as the elastic modulus ratio and strength ratio were analyzed. It was found that increasing the elastic modulus of the external layer of a composite cross-section caused quasi-brittle behavior, while similar responses of the composite structure to those of homogeneous and linear materials were shown to increase the yield strength of the external layer.
New generation of tall and complex buildings systems are now introduced that are reflective of the latest development in materials, design, sustainability, construction, and IT technologies. While the complexity in design is being overcome by the availability and advances in structural analysis tools and readily advanced software, the design of these buildings are still reliant on minimum code requirements that yet to be validated in full scale. The involvement of the author in the design and construction planning of Burj Khalifa since its inception until its completion prompted the author to conceptually develop an extensive survey and real-time structural health monitoring program to validate all the fundamental assumptions mad for the design and construction planning of the tower. The Burj Khalifa Project is the tallest structure ever built by man; the tower is 828 meters tall and comprises of 162 floors above grade and 3 basement levels. Early integration of aerodynamic shaping and wind engineering played a major role in the architectural massing and design of this multi-use tower, where mitigating and taming the dynamic wind effects was one of the most important design criteria established at the onset of the project design. Understanding the structural and foundation system behaviors of the tower are the key fundamental drivers for the development and execution of a state-of-the-art survey and structural health monitoring (SHM) programs. Therefore, the focus of this paper is to discuss the execution of the survey and real-time structural health monitoring programs to confirm the structural behavioral response of the tower during construction stage and during its service life; the monitoring programs included 1) monitoring the tower's foundation system, 2) monitoring the foundation settlement, 3) measuring the strains of the tower vertical elements, 4) measuring the wall and column vertical shortening due to elastic, shrinkage and creep effects, 5) measuring the lateral displacement of the tower under its own gravity loads (including asymmetrical effects) resulting from immediate elastic and long term creep effects, 6) measuring the building lateral movements and dynamic characteristic in real time during construction, 7) measuring the building displacements, accelerations, dynamic characteristics, and structural behavior in real time under building permanent conditions, 8) and monitoring the Pinnacle dynamic behavior and fatigue characteristics. This extensive SHM program has resulted in extensive insight into the structural response of the tower, allowed control the construction process, allowed for the evaluation of the structural response in effective and immediate manner and it allowed for immediate correlation between the measured and the predicted behavior. The survey and SHM programs developed for Burj Khalifa will with no doubt pioneer the use of new survey techniques and the execution of new SHM program concepts as part of the fundamental design of building structures. Moreover, this survey and SHM programs will be benchmarked as a model for the development of future generation of SHM programs for all critical and essential facilities, however, but with much improved devices and technologies, which are now being considered by the author for another tall and complex building development, that is presently under construction.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.4
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pp.317-325
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2016
In this study, nonlinear earthquake responses of a soil-structure interaction(SSI) system which is subjected to a three-directional ground motion are examined. The structure and the near-field region of soil, where the geometry is irregular, the material properties are heterogeneous, and nonlinear dynamic responses are expected, are modeled by nonlinear finite elements. On the other hand, the infinite far-field region of soil, which has a regular geometry and homogeneous material properties and dynamic responses is assumed linearly elastic, is represented by three-dimensional perfectly matched discrete layers which can radiate elastic waves into infinity efficiently. Nonlinear earthquake responses of the system subjected to a three-directional ground motion are calculated with the numerical model. It is observed that the dynamic responses of a SSI system to a three-directional motion have a predominant direction according to the characteristics of the ground motion. The responses must be evaluated using precise analysis methods which can consider nonlinear behaviors of the system accurately. The the method employed in this study can be applied easily to boundary nonlinear problems as well as material nonlinear problems.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.6
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pp.359-366
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2019
Experimental and analytical studies on the behavioral characteristics of a pre-stressed (PS) steel girder are conducted to investigate the effects of deviators on the non-linear inelastic properties of the PS system. In this regard, 4 test specimens consisting of a steel H-beam, a straight cable with eccentricity, anchorages, and deviators are built and failure tests are performed under two-point loading. In addition, in-plane elastic deformation theories for the PS system without a deviator, and with three deviators at regular intervals are analytically formulated and solved using a symbolic calculation technique. To verify the validity of the experimental and the proposed analytical theories, the results obtained using FEM models composed of beam elements, rigid beam elements, and truss cable elements, are compared to the experimental results and the analytical solutions. As a result, it is determined that externally installed un-bonded deviators inhibit flexural deformation of the deformed beam to such an extent that their elastic stiffness, and failure strength are significantly improved compared to those of the PS system without deviators.
The object of this paper is to perform the experiments to investigate the relationship of the resistance forces and the failure temperatures on the failure behaviors of H-shaped steel compressive members. H-shaped members(SS400) were used for the test models and the tests for the elevated temperatures were performed by ISO 834 in FILK(Fire Insurers Laboratories of Korea). The local, overall buckling stresses and a yielding stresses for the failure temperatures were compared with the compressive stresses for the loading forces of test models, the yielding strength and elastic modulus reduction factor of the steel at a high temperature were based on the criteria of the EC3(Eurocode 3) Part1.2(1993). The slenderness ratio was fixed by 45.4 and the compressive forces corresponded with 50%, 70% and 80% of the yielding forces at the normal temperatures were chosen for the loading forces of the test models. The failure temperatures of the test models were investigated under three kinds of loading conditions. It was known that the resistance forces have come close to the yielding forces, not the elastic buckling loads evaluated by EC3 at the failure temperatures obtained from the tests which are related to the failure temperatures and the loading stresses.
Behaviors of splices between bolts and welding spliced PHC piles using the tensile strength test were analyzed. The bolts spliced PHC piles, which were tightened over $200N{\cdot}m$ tightening torque, showed straight V shaped line at splices at the lowest 20 N load. Both sides of PHC piles stayed straight, so the full section of bolts spliced piles did not show the unifying behavior, which was the most important performance requirement as pile. Other bolts spliced PHC piles, tightened with $20N{\cdot}m$ loosening torque, also showed the same straight V shaped line at splices for each step of loading. The full section of bolts spliced piles did not return to the initial position after each step of unloading and did not show the elastic material behavior. The splices quality of bolts spliced piles is much lower than that of welding spliced piles with respect to displacement of splices during each step of loadings, residual displacements during each step of unloadings, and failure loads. Results showed that bolts spliced PHC piles, tightened with both over $200N{\cdot}m$ and as low as $20N{\cdot}m$ torque, fell short of performance requirements of spliced PHC pile.
Salt, one of the most common soluble materials in engineering soil, may have an effect on mechanical behaviors of soils under its cementation process. In order to investigate this natural phenomenon, non-soluble material by using glass beads is mixed with salt electrolyte and cemented by using oven to evaporate water. Three different sizes of glass bead particles, 0.26, 0.5, and 1.29 mm, with different salt concentration, 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0M, are explored by using P- and S-waves, excited by bender elements and piezo disk elemets, respectively. The velocities of the P-wave and S-wave of the particulate medium cemented by salt show three stages with the degree of saturation: 1) S-wave velocities increase while P-wave velocities reduce with degree of saturation changing from 100% to 90%; 2) Both velocities are stable with degree of saturation varying from 90% to 10%; 3) The velocities change enormously when the specimens are nearly dry with degree of saturation from 10% to 0%. Besides, the resonance frequencies of S-wave show similar stages to the S-wave velocities. This study demonstrates meaningful trends of elastic wave characteristics of geo-materials according to the cementation of dissolved salt.
Sands distributed in Jeju island's coastal areas, Korea, can be classified as silicate sand derived from volcanic rock, carbonate sand derived from shells, and mixed sands containing both silicate and carbonate sands. These three types of sands typically exist in Jeju coastal areas. Samples of silicate, carbonate and mixed sands were obtained from Samyang beach, Gimnyeong beach, and Jeju harbor area, respectively. Compression tests were conducted to assess the compression characteristics of these sands. As a result of these tests, each sand showed different behaviors. For Samyang beach sand, it appeared that initial compression is a larger than the other two sands. For Cimnyeong and Jeju harbor sands, however, the additional compression occurred after initial compression. This could result from the crushing, shattering, and rearrangement of sand particles. In addition, settlement behavior of Jeju harbor ground according to the construction stages was analyzed using the measured data. It showed that in addition to the initial elastic compression, a considerable additional compression occurred with time. The settlements of Jeju harbor ground were predicted by using the elastic settlement calculation methods (empirical methods) and the compression test method. The empirical methods, which did not consider the crushing, shattering, and rearrangement of particles could show smaller result than that occurring actually.
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