Ahn, Jae-Kwang;Park, Duhee;Park, Ki-Chun;Yoon, Ji Nam
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.959-972
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2017
In evaluation of blast-induced vibration, peak particle velocity (PPV) is generally calculated by using attenuation relation curve. Calculated velocity is compared with the value in legal requirements or the standards to determine the stability. Attenuation relation curve varies depending on frequency of test blasting, geological structure of the site and blasting condition, so it is difficult to predict accurately using such an equation. Since PPV is response value from the ground, direct evaluation of the structure is impractical. Because of such a limit, engineers tend to use the commercial numerical analysis program in evaluating the stability of the structure more accurately. However, when simulate the explosion process using existing numerical analysis program, it's never easy to accurately simulate the complex conditions (fracture, crushing, cracks and plastic deformation) around blasting hole. For simulating such a process, the range for modelling will be limited due to the maximum node count and it requires extended calculation time as well. Thus, this study is intended to simulate the elastic energy after fractured zone only, instead of simulating the complex conditions of the rock that results from the blast, and the analysis of response characteristics of the velocity depending on shape and size of the fractured zone was conducted. As a result, difference in velocity and attenuation character were calculated depending on fractured zone around the blast source appeared. Propagation of vibration tended to spread spherically as it is distanced farther from the blast source.
The goal of this paper is to develop a computational method to predict cancellous bone density distributions based upon continuum levels of volumetric strain. Volumetric strain is defined as the summation of normal strains, excluding shear strains, within an elastic range of loadings. Volumetric strain at a particular location in a cancellous structure changes with changes of the boundary conditions (prescribed displacements, tractions, and pressure). This change in the volumetric strain is postulated to predict the adaptive change in the bone apparent density. This bone remodeling theory based on volumetric strain is then used with the finite element method to compute the apparent density distribution for cancellous bone in both lumbar spine and proximal femur using an iterative algorithm, considering the dead zone of strain stimuli. The apparent density distribution of cancellous bone predicted by this method has the same pattern as experimental data reported in the literature (Wolff 1892, Keller et al. 1989, Cody et al. 1992). The resulting bone apparent density distributions predict Young's modulus and strength distributions throughout cancellous bone in agreement with the literature (Keller et al. 1989, Carter and Hayes 1977). The method was convergent and sensitive to changes in boundary conditions. Therefore, the computational algorithm of the present study appears to be a useful approach to predict the apparent density distribution of cancellous bone (i.e. a numerical approximation for Wolff's Law)
We proposed a numerical method for the thermo-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) and simulated thermally induced fracture slip. The present study is the benchmark simulation performed as part of DECOVALEX-2023 Task G, which aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as an assembly of Voronoi grains and calculated the interaction of the grains (blocks) and their interfaces (contacts) using a distinct element code, 3DEC. Based on an equivalent continuum approach, the micro-parameters of grains and contacts were determined to reproduce rock as an elastic material. Then, the behavior of the fracture embedded in the rock was characterized by the contacts with Coulomb shear strength and tensile strength. In the benchmark simulation, we quantitatively examined the effects of the boundary stress and thermal stress due to heat conduction on fracture behavior, focusing on the mechanism of thermally induced fracture slip. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the thermal expansion and thermal stress increment, the fracture stress and displacement and the effect of boundary condition. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.
Geotextile tubes are widely used to prevent erosion in coastal areas and to replace the backfill for shore slopes in the reclamation of land using dredged soil. In this study, The triaxial confining pressures were chosen as 10kPa, 50kPa, or 100kPa for the specimens reinforced with geotextile considering the condition in the site. The strain behavior under various compressive stresses was then identified. At strains 0% to 7%, the stress-strain behavior was the same due to the effect of initial strain hardening, in which the force was exerted according to the relaxation of the geotextile regardless of the confining pressure (≤100kPa). At strains of 7% or more, the specimen with the small confining pressure had smaller deformation under load, which increases the tensile resistance provided by the reinforcing geotextile. Brittle fracture was then observed due to strain softening and the deviator stress abruptly decreased. This is different from the phenomenon in which the shear strength increases as the confining pressure increases in general triaxial compression tests. In the geoxtile-confined tests, geotextiles are primarily subjected to tensile displacement. Thereafter, the modulus of elasticity increases rapidly, which exhibits the elastic behavior of the geotextile.
The social need for stable hydrogen storage technologies that respond to the increasing demand for hydrogen energy is increasing. Among them, underground hydrogen storage is recognized as the most economical and reasonable storage method because of its vast hydrogen storage capacity. In Korea, low-depth hydrogen storage using artificial protective structures is being considered. Further, establishing corresponding safety standards and ground stability evaluation is becoming essential. This study evaluated the hydro-mechanical behavior of the ground during a hydrogen gas leak from a low-depth underground hydrogen storage facility through the HM coupled analysis model. The predictive reliability of the simulation model was verified through benchmark experiments. A parameter study was performed using a metamodel to analyze the sensitivity of factors affecting the surface uplift caused by the upward infiltration of high-pressure hydrogen gas. Accordingly, it was confirmed that the elastic modulus of the ground was the largest. The simulation results are considered to be valuable primary data for evaluating the complex analysis of hydrogen gas explosions as well as hydrogen gas leaks in the future.
This study employed a 3-D numerical analysis based on the distinct element method to estimate the strength and deformability of a Cretaceous biotite granitic rock mass at Gijang, Busan, Korea. A workflow was proposed to evaluate the scale effect and the representative elementary volume (REV) of mechanical properties for fractured rock masses. Directional strength and deformability parameters such as block strength, deformation modulus, shear modulus, and bulk modulus were estimated for a discrete fracture network (DFN) in a cubic block the size of the REV. The size of the mechanical REV for fractured rock masses in the study area was determined to be a 15 m cube. The mean block strength and mean deformation modulus of the DFN cube block were found to be 52.8% and 57.7% of the intact rock's strength and Young's modulus, respectively. A constitutive model was derived for the study area that describes the linear-elastic and orthotropic mechanical behavior of the rock mass. The model is expected to help evaluate the stability of tunnels and underground spaces through equivalent continuum analysis.
Do Yeon Kim;Hyuck Soon Choi;Joohyung Kang;Yongsun Lee
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.70-78
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2023
The ordinary concentrically braced frame has an advantage of having simple design procedure. For this reason, it has been widely used for the small-sized frame structures subject to moderate or lower magnitude earthquake, even though its seismic performance against the earthquake load is not much effective compared to that of other frame systems. To enhance seismic performance of the ordinary concentrically braced frame where the bracing has a weakness for compressive behavior under lateral earthquake, seismic retrofitting by viscous damper has been commonly introduced. However, the viscous damper, itself, generally does not have stiffness for restoring the structure to the original position. This may cause residual displacement to the structure. In this paper, a self-centering viscous damper system in which upper and lower beams having flexural rigidity play a role as a nonlinear-elastic spring, restoring the spring-damper system subject to external displacement history to its original location, is developed. The numerical analysis for a simplified frame structure shows how including the developed self-centering viscous damper system leads to an enhanced seismic performance of the frame structure through energy dissipation during earthquake excitation.
Park, Jung-Wook;Park, Eui-Seob;Kim, Taehyun;Lee, Changsoo;Lee, Jaewon
Tunnel and Underground Space
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v.28
no.5
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pp.400-425
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2018
This study presents the research results and current status of the DECOVALEX-2019 project Task B. Task B named 'Fault slip modelling' is aiming at developing a numerical method to simulate the coupled hydro-mechanical behavior of fault, including slip or reactivation, induced by water injection. The first research step of Task B is a benchmark simulation which is designed for the modelling teams to familiarize themselves with the problem and to set up their own codes to reproduce the hydro-mechanical coupling between the fault hydraulic transmissivity and the mechanically-induced displacement. We reproduced the coupled hydro-mechanical process of fault slip using TOUGH-FLAC simulator. The fluid flow along a fault was modelled with solid elements and governed by Darcy's law with the cubic law in TOUGH2, whereas the mechanical behavior of a single fault was represented by creating interface elements between two separating rock blocks in FLAC3D. A methodology to formulate the hydro-mechanical coupling relations of two different hydraulic aperture models and link the solid element of TOUGH2 and the interface element of FLAC3D was suggested. In addition, we developed a coupling module to update the changes in geometric features (mesh) and hydrological properties of fault caused by water injection at every calculation step for TOUGH-FLAC simulator. Then, the transient responses of the fault, including elastic deformation, reactivation, progressive evolutions of pathway, pressure distribution and water injection rate, to stepwise pressurization were examined during the simulations. The results of the simulations suggest that the developed model can provide a reasonable prediction of the hydro-mechanical behavior related to fault reactivation. The numerical model will be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOLVAEX-2019 Task B and validated using the field data from fault activation experiments in a further study.
Recently, Televiewer(Borehole Acoustic Scanner(Televiewer)) has come to be widely used specially for the general engineering construction design. The Televiewer tool using a focussed acoustic beam is to detect the amplitude and traveltime of each reflected acoustic signal at the wall, resulting in the amplitude- and traveltime image respectively. Fractures can be well detected, because they easily scatter the acoustic energy due to the highly narrow beam. In addition, the drilling work will rough the borehole wall so that the acoustic energy can be scattered simply due to the roughness of the wall. Thus, the amplitude level can be directed associated with the elastic properties(impedance) and the hardness of the rock as well. Meanwhile, the traveltime image provides an information about the borehole shape and can be converted to a high precision 3D caliper log(max. 288 arms). In this paper, based on the high resolution of Televiewer images, general evaluation methods are illustrated to derive very reliable rock parameters.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.26
no.5
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pp.300-313
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2014
Most analytical solutions for wave-induced soil response have been mainly developed to investigate the influence of the progressive and standing waves on the seabed response in an infinite seabed. This paper presents a new analytical solution to the governing equations considering the wave-induced soil response for the partial standing wave fields with arbitrary reflectivity in a porous seabed of finite thickness, using the effective stress based on Biot's theory (Biot, 1941) and elastic foundation coupled with linear wave theory. The newly developed solution for wave-seabed interaction in seabed of finite depth has wide applicability as an analytical solutions because it can be easily extended to the previous analytical solutions by varying water depth and reflection ratio. For more realistic wave field, the partial standing waves caused by the breakwaters with arbitrary reflectivity are considered. The analytical solutions was verified by comparing with the previous results for a seabed of infinite thickness under the two-dimensional progressive and standing wave fields derived by Yamamoto et al.(1978) and Tsai & Lee(1994). Based on the analytical solutions derived in this study, the influence of water depth and wave period on the characteristics of the seabed response for the progressive, standing and partial standing wave fields in a seabed of finite thickness were carefully examined. The analytical solution shows that the soil response (including pore pressure, shear stress, horizontal and vertical effective stresses) for a seabed of finite thickness is quite different in an infinite seabed. In particular, this study also found that the wave-induced seabed response under the partial wave conditions was reduced compared with the standing wave fields, and depends on the reflection coefficient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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