A nonlinear static procedure considering work-energy principle and global failure mechanism to estimate base shears of reinforced concrete (RC) frame-type structures is presented. The relative energy equation comprising of elastic vibrational energy, plastic strain energy and seismic input energy is obtained. The input energy is modified with a factor depending on damping ratio and ductility, and the energy that contributes to damage is obtained. The plastic energy is decreased with a factor to consider the reduced hysteretic behavior of RC members. Given the pre-selected failure mechanism, the modified energy balance equality is written using various approximations for modification factors of input energy and plastic energy in scientific literature. External work done by the design lateral forces distributed to story levels in accordance with Turkish Seismic Design Code is calculated considering the target plastic drift. Equating the plastic energy obtained from energy balance to external work done by the equivalent inertia forces considering, a total of 16 energy-based base shears for each frame are derived considering different combinations of modification factors. Ductility related parameters of modification factors are determined from pushover analysis. Relative input energy of multi degree of freedom (MDOF) system is approximated by using the modal-energy-decomposition approach. Energy-based design base shears are compared with those obtained from nonlinear time history (NLTH) analysis using recorded accelerograms. It is found that some of the energy-based base shears are in reasonable agreement with the mean base shear obtained from NLTH analysis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.8
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pp.1429-1437
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1992
A new finite element formulation based on the relaxation type hereditary integral is presented for a time-domain analysis of isotropic, linear viscoelastic problems. The semi-discrete variational approximation and elastic-viscoelastic correspondence principle are used in the theoretical development of the proposed method. In a time-stepping procedure of final, linear algebraic system equations, only a small additional computation for past history is required since the equivalent stiffness matrix is constant. The viscoelasticity matrices are derived and the stress computation algorithm is given in matrix form. The effect of time increment and Gauss point numbers on the numerical accuracy is examined. Two dimensional numerical examples of plane strain and plane stress are solved and compared with the analytical solutions to demonstrate the versatility and accuracy of the present method.
In this paper the geometrically nonlinear continuum plate finite element model, hitherto not reported in the literature, is developed using the total Lagrange formulation. With the layerwise displacement field of Reddy, nonlinear Green-Lagrange small strain large displacements relations (in the von Karman sense) and linear elastic orthotropic material properties for each lamina, the 3D elasticity equations are reduced to 2D problem and the nonlinear equilibrium integral form is obtained. By performing the linearization on nonlinear integral form and then the discretization on linearized integral form, tangent stiffness matrix is obtained with less manipulation and in more consistent form, compared to the one obtained using laminated element approach. Symmetric tangent stiffness matrixes, together with internal force vector are then utilized in Newton Raphson's method for the numerical solution of nonlinear incremental finite element equilibrium equations. Despite of its complex layer dependent numerical nature, the present model has no shear locking problems, compared to ESL (Equivalent Single Layer) models, or aspect ratio problems, as the 3D finite element may have when analyzing thin plate behavior. The originally coded MATLAB computer program for the finite element solution is used to verify the accuracy of the numerical model, by calculating nonlinear response of plates with different mechanical properties, which are isotropic, orthotropic and anisotropic (cross ply and angle ply), different plate thickness, different boundary conditions and different load direction (unloading/loading). The obtained results are compared with available results from the literature and the linear solutions from the author's previous papers.
In this study, a numerical method for the material nonlinear analysis of reinforced concrete shell structures including the time dependent effects due to creep and shrinkage is developed. Degenerate shell elements with the layered approach are used. The perfect or strain hardening plasticity model in compression and the linearly elastic model in tension until cracking for concrete are employed. The reinforcing bars are considered as a steel layer of equivalent thickness. Each :steel layer has an uniaxial behaviour resisting only the axial force in the bar direction. A bilinear idealization is adopted to model elasto-plastic stress-strain relationships. For the nonlinear anaysis, incremental load method combined with unbalanced load iterations for each load increment is used. To include time dependent effects of concrete, time domain is divided into several time steps which may have different length. Some numerical examples are presented to study the validity and applicability of the present method. The results are compared with experimental and numerical results obtained by other investigator.
Shoulder pain, injury and discomfort are public health and economic issues world-wide. The function of these joints and the stresses developed during their movement is a major concern to the orthopedic surgeon to study precisely the injury mechanisms and thereby analyze the post-operative progress of the injury. Shoulder is one of the most critical joints in the human anatomy with maximum degrees of freedom. It mainly consists of the clavicle, scapula and humerus; the articulations linking them; and the muscles that move them. In order to understand the behavior of individual muscle during abduction arm movement, an attempt has been made to analyze the stresses developed in the shoulder muscles during abduction arm movement during the full range of motion by using the 3D FEM model. 3D scanning (ATOS III scanner) is used for the 3D shoulder joint cad model generation in CATIA V5. Muscles are added and then exported to the ANSYS APDL solver for stress analysis. Sensitivity Analysis is done for stress and strain behavior amongst different shoulder muscles; deltoid, supraspinatus, teres minor, infraspinatus, and subscapularies during adduction arm movement. During the individual deltoid muscle analysis, the von Mises stresses induced in deltoid muscle was maximum (4.2175 MPa) and in group muscle analysis it was (2.4127MPa) compared to other individual four rotor cuff muscles. The study confirmed that deltoid muscle is more sensitive muscle for the abduction arm movement during individual and group muscle analysis. The present work provides in depth information to the researchers and orthopedicians for the better understanding about the shoulder mechanism and the most stressed muscle during the abduction arm movement at different ROM. So during rehabilitation, the orthopedicians should focus on strengthening the deltoid muscles at earliest.
In this study, a molecular dynamics simulation study was performed to investigate the size-dependent electroelastic properties of single-walled boron nitride nanotubes(BNNT). To describe the elasticity and polarization of BNNT under mechanical loading, the Tersoff potential model and rigid ion approximation were adopted. For the prediction of piezoelectric constants and Young's modulus of BNNTs, piezoelectric constitutive equations based on the Maxwell's equation were used to calculate the strain-electric displacement and strain-stress relationships. It was found that the piezoelectric constants of BNNTs gradually decreases as the radius of the tubes increases showing a nonnegligible size effect. On the other hand, the elastic constants of the BNNTs showed opposites trends according to the equivalent geometrical assumption of the tubular structures. To establish the structure-property relationships, localized configurational change of the primarily bonded B-N bonded topology was investigated in detail to elucidate the BNNT curvature dependent elasticity.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.2
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pp.121-128
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2020
The purpose of this study is to investigate the distribution patterns of displacement and acceleration fields in a nonlinear soil ground based on the interaction of high-speed train, wheel, rail, and ground. For this purpose, a high-speed train in motion was modeled as the actual wheel, and the vertical contact of wheel and rail and the lateral contact, caused by meandering motion, were simulated; this simulation was based on the moving mass analysis. The soil ground part was given the nonlinear behavior of the upper ground part by using the modified the Drucker-Prager model, and the changes in displacement and acceleration were compared with the behavior of the elastic and inelastic grounds. Using this analysis, the displacement and acceleration ranges close to the actual ground behavior were addressed. Additionally, the von-Mises stress and equivalent plastic strain at the ground were examined. Further, the equivalent plastic and total volumetric strains at each failure surface were examined. The variation in stresses, such as vertical stress, transverse pressure, and longitudinal restraint pressure of wheel-rail contact, with the time history was investigated using moving mass. In the case of nonlinear ground model, the displacement difference obtained based on the train travel is not large when compared to that of the elastic ground model, while the acceleration is caused to generate a large decrease.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.1
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pp.79-87
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1991
An efficient numerical procedure for material and geometric nonlinear analysis of reinforced concrete shells under monotonically increasing loads through their elastic, inelastic and ultimate load ranges is developed by using the finite element method. The 8-node Serendipity isoparametric element developed by the degeneration approach including the transverse shear deformation is used. A layered approach is used to represent the steel reinforcement and to discretize the concrete behavior through the thickness. The total Lagrangian formulation based upon the simplified Von Karman strain expressions is used to take into account the geometric nonlinearity of the structure. The material nonlinearities are taken into account by comprising the tension, compression, and shear models of cracked concrete and a model for reinforcement in the concrete; and also a so-called smeared crack model is incorporated. The steel reinforcement is assumed to be in a uniaxial stress state and is modelled as a smeared layer of equivalent thickness. This method will be verified a useful tool to account for geometric and material nonlinearities in detailed analysis of reinforced concrete concrete shells of general form through numerical examples of the sequential paper( ).
The bearing mechanism of tunnel-type anchorage (TTA) for suspension bridges is studied. Model tests are conducted using different shapes of plug bodies, which are circular column shape and circular truncated cone shape. The results show that the plug body of the latter shape possesses much larger bearing capacity, namely 4.48 times at elastic deformation stage and 4.54 times at failure stage compared to the former shape. Numerical simulation is then conducted to understand the mechanical and structural responses of plug body and surrounding rock mass. The mechanical parameters of the surrounding rock mass are firstly back-analyzed based on the monitoring data. The calculation laws of deformation and equivalent plastic strain show that the numerical simulation results are rational and provide subsequent mechanism analysis with an established basis. Afterwards, the bearing mechanism of TTA is studied. It is concluded that the plug body of circular truncated cone shape is able to take advantage of the material strength of the surrounding rock mass, which greatly enhances its bearing capacity. The ultimate bearing capacity of TTA, therefore, is concluded to be determined by the material strength of surrounding rock mass. Finally, recommendations for TTA design are proposed and discussed.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.6
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pp.1-9
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2015
Transverse steel bars are used in the plastic hinge zone of columns to insure adequate confinement, prevention of longitudinal bar buckling and ductile behavior. Fabrication and placement of rectangular hoops and cross-ties in columns are difficult to construct. Details of reinforcement for rectangular section require a lot of rectangular hoops and cross-ties. In this paper, to solve these problems, the new lateral confinement method using oblong hoop is proposed for the transverse confinement of the flared column. It can be the alternative for oblong cross-section and flared column with improved workability and cost-efficiency. The final objectives of this study are to suggest appropriate oblong hoop details and to provide quantitative reference data and tendency for seismic performance or damage assessment based on the drift levels such as residual deformation, elastic strain energy. This paper describes factors of seismic performance such as ultimate displacement/drift ratio, displacement ductility, response modification factor, equivalent viscous damping ratio and effective stiffness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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