Niroumand, Hamed;Mehrizi, Mohammad Emad Mahmoudi;Saaly, Maryam
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.1
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pp.1-39
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2016
The finite element method (FEM), discrete element method (DEM), and Discontinuous deformation analysis (DDA) are among the standard numerical techniques applied in computational geo-mechanics. However, in some cases there no possibility for modelling by traditional finite analytical techniques or other mesh-based techniques. The solution presented in the current study as a completely Lagrangian and mesh-free technique is smoothed particle hydrodynamics (SPH). This method was basically applied for simulation of fluid flow by dividing the fluid into several particles. However, several researchers attempted to simulate soil-water interaction, landslides, and failure of soil by SPH method. In fact, this method is able to deal with behavior and interaction of different states of materials (liquid and solid) and multiphase soil models and their large deformations. Soil indicates different behaviors when interacting with water, structure, instrumentations, or different layers. Thus, study into these interactions using the mesh based grids has been facilitated by mesh-less SPH technique in this work. It has been revealed that the fast development, computational sophistication, and emerge of mesh-less particle modeling techniques offer solutions for problems which are not modeled by the traditional mesh-based techniques. Also it has been found that the smoothed particle hydrodynamic provides advanced techniques for simulation of soil materials as compared to the current traditional numerical methods. Besides, findings indicate that the advantages of applying this method are its high power, simplicity of concept, relative simplicity in combination of modern physics, and particularly its potential in study of large deformations and failures.
An experimental study was performed to investigate the seismic performance of solid steel reinforced concrete (SRC) frames with special-shaped columns that are composed of SRC special-shaped columns and reinforced concrete beams. For this purpose, two models of two-bay and three-story frame, including an edge frame and a middle frame, were designed and tested. The failure process and patterns were observed. The mechanical behaviors such as load-displacement hysteretic loops and skeleton curves, load bearing capacity, drift ratio, ductility, energy dissipation and stiffness degradation of test specimens were analyzed. Test results show that the failure mechanism of solid SRC frame with special-shaped columns is the beam-hinged mechanism, satisfying the seismic design principle of "strong column and weak beam". The hysteretic loops are plump, the ductility is good and the capacity of energy dissipation is strong, indicating that the solid SRC frame with special-shaped columns has excellent seismic performance, which is better than that of the lattice SRC frame with special-shaped columns. The ultimate elastic-plastic drift ratio is larger than the limit value specified by seismic code, showing the high capacity of collapse resistance. Compared with the edge frame, the middle frame has higher carrying capacity and stronger energy dissipation, but the ductility and speed of stiffness degradation are similar. All these can be helpful to the designation of solid SRC frame with special-shaped columns.
Nho, In Sik;Lee, Jae-Man;Oh, Young-Taek;Kim, Sung-Chan
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.53
no.2
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pp.85-91
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2016
The most important factor in the structural design of ships and offshore structures operating in arctic region is ice load, which results from ice-structure interaction during the ice collision process. The mechanical properties of ice related to strength and failure, however, show very complicated aspect varying with temperature, volume fraction of brine, grain size, strain rate and etc. So it is nearly impossible to establish a perfect material model of ice satisfying all the mechanical characteristics completely. Therefore, in general, ice collision analysis was carried out by relatively simple material models considering only specific aspects of mechanical characteristics of ice and it would be the most significant cause of inevitable errors in the analysis. Especially, it is well-known that the most distinctive mechanical property of ice is high dependency on strain rate. Ice shows brittle attribute in higher strain rate while it becomes ductile in lower strain rate range. In this study, the simulation method of ice collision to ship hull using the nonlinear dynamic FE analysis was dealt with. To consider the strain rate effects of ice during ice-structural interaction, strain rate dependent constitutive model in which yield stress and hardening behaviors vary with strain rate was adopted. To reduce the huge amount of computing time, the modeling range of ice and ship structure were restricted to the confined region of interest. Under the various scenario of ice-ship hull collision, the structural behavior of hull panels and failure modes of ice were examined by nonlinear FE analysis technique.
Kota, Sai Kubair;Rama, J.S. Kalyana;Murthy, A. Ramachandra
Earthquakes and Structures
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v.17
no.2
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pp.221-232
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2019
Material non-linearity of Reinforced Concrete (RC) framed structures is studied by modelling concrete using the Concrete Damage Plasticity (CDP) theory. The stress-strain data of concrete in compression is modelled using the Hsu model. The structures are analyzed using a finite element approach by modelling them in ABAQUS / CAE. Single bay single storey RC frames, designed according to Indian Standard (IS):456:2000 and IS:13920:2016 are considered for assessing their maximum load carrying capacity and failure behavior under the influence of gravity loads and lateral loads. It is found that the CDP model is effective in predicting the failure behaviors of RC frame structures. Under the influence of the lateral load, the structure designed according to IS:13920 had a higher load carrying capacity when compared with the structure designed according to IS:456. Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) strip is used for strengthening the columns and beam column joints of the RC frame individually against lateral loads. 10mm and 20mm thick strips are adopted for the numerical simulation of RC column and beam-column joint. Results obtained from the study indicated that UHPFRC with two different thickness strips acts as a very good strengthening material in increasing the load carrying capacity of columns and beam-column joint by more than 5%. UHPFRC also improved the performance of the RC frames against lateral loads with an increase of more than 3.5% with the two different strips adopted. 20 mm thick strip is found to be an ideal size to enhance the load carrying capacity of the columns and beam-column joints. Among the strengthening locations adopted in the study, column strengthening is found to be more efficient when compared with the beam column joint strengthening.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.102-112
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2020
In this study, in order to design a wedge-type anchor that can hold an wide carbon plate with a width of 100 mm or more that can be used in a bridge structure, the mechanical behaviors are evaluated based on the main design variables such as the angle of the wedge and the coefficient of friction between the guide and the wedge. The stress state of the carbon plate was calculated by numerical analysis method for each design variable, and the performance of the anchor in the critical state was evaluated according to the failure criteria for composite material, and the optimal design specifications of the anchor were determined based on numerical results. The performance of the optimally designed anchor was verified through actual experiments, and the results of this study are considered to be useful for the optimal design of the CFRP plate anchor to reinforce large structures.
A new type of composite insulated concrete sandwich wall (ICS-wall), which is composed of a triangle truss steel wire network, an insulating layer, and internal and external concrete layers, is proposed. To study the mechanical properties of this new ICS-wall, tensile, compression, and shearing tests were performed on 22 specimens and tensile strength and corrosion resistance tests on 6 triangle truss joints. The variables in these tests mainly include the insulating plate material, the thickness of the insulating plate, the vertical distance of the triangle truss framework, the triangle truss layout, and the connecting mode between the triangle truss and wall and the material of the triangle truss. Moreover, the failure mode, mechanical properties, and bearing capacity of the wall under tensile, shearing, and compression conditions were analyzed. Research results demonstrate that the concrete and insulating layer of the ICS-wall are pulling out, which is the main failure mode under tensile conditions. The ICS-wall, which uses a graphite polystyrene plate as the insulating layer, shows better tensile properties than the wall with an ordinary polystyrene plate. The tensile strength and bearing capacity of the wall can be improved effectively by strengthening the triangle truss connection and shortening the vertical distances of the triangle truss. The compression capacity of the wall is mainly determined by the compression capacity of concrete, and the bonding strength between the wall and the insulating plate is the main influencing factor of the shearing capacity of the wall. According to the tensile strength and corrosion resistance tests of Austenitic stainless steel, the bearing capacity of the triangle truss does not decrease after corrosion, indicating good corrosion resistance.
Dong-Wook Hwang;Sanjay Kumar;Dong-Hun Ha;Su-Min Jo;Yun-Hae Kim
Composites Research
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v.36
no.4
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pp.259-263
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2023
This study investigated the open hole tensile (OHT) properties of carbon fiber/epoxy composites and compared them to bolt joint tensile (BJT) properties. The net nominal modulus and strength (1376 MPa) were found to be higher than the gross nominal strength (1041 MPa), likely due to increasing hole size. The OHT and BJT specimens exhibited similar stiffness, as expected without bolt rotation causing secondary bending. OHT specimens experienced a sharp drop in stress indicating unstable crack propagation, delamination, and catastrophic failure. BJT specimens failed through shear out on the bolt side and bearing failure on the nut side, involving fiber kinking, matrix splitting, and delamination, resulting in lower strength compared to OHT specimens. The strength retention of carbon fiber/epoxy composites with open holes was 66%. Delamination initiation at the hole's edge caused a reduction in the stress concentration factor. Filling the hole with a bolt suppressed this relieving mechanism, leading to lower strength in BJT specimens compared to OHT specimens. Bolt joint efficiency was calculated as 15%. The reduction in strength in bolted joints was attributed to fiber-matrix splitting and delamination, aligning with Hart Smith's bolted joint efficiency diagram. These findings contribute to materials selection and structural reliability estimation for carbon fiber/epoxy composites. They highlight the behavior of open hole and bolt joint configurations under tensile loading, providing valuable insights for engineering applications.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.1A
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pp.219-228
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2006
Because of the advantage of light weight, lightweight concrete is frequently applied to long-span bridges and high-rise buildings. In the country, there is not enough experience for the long-span bridges using lightweight concrete. This paper presents results of an experimental study on the punching shear strength of high-strength lightweight concrete slabs. Four test slabs are fabricated using high-strength lightweight concrete and normalweight concrete and at the center of the test slabs, simulated wheel load is applied until failure. The compressive strengths of lightweight concrete and normalweight concrete are 47MPa and 32MPa, respectively. The test results show the failure mode of all specimens are punching shear and the behaviors of high-strength lightweight concrete slabs are very similar to that of normalweight concrete slabs. Based on the test results, it is discussed the safety and serviceability of high-strength lightweight concrete bridge decks.
In cases of the loosely accumulated ground and soft clayey soils, the settlement criterion usually governs in evaluating the stability of structures. The settlement is also a dominant factor to control the design of granular compaction piles mainly applied to the reinforcement of foundation structures in soft ground. In the previous studies, settlement behaviors of granular compaction piles have generally been analyzed with an evaluation of the settlement reduction factor based on the load-sharing ratio and the replacement ratio. In this approach, however, since the reinforced ground with granular compaction piles is simplified as the composite ground, only the difference of a relative vertical strength between piles and soils is taken into account without reflecting lateral behaviors of granular compaction piles. In the present study, the method of estimating the settlement of granular compaction piles is proposed by synthetically considering a vertical strength of the ground, lateral behaviors of granular compaction piles, the strength of pile materials, a pile diameter, and an installation distance of the pile. Further, far the verification of a validity of the proposed method, predicted settlements are compared with results from previous studies. In addition, parametric studies are performed together with detailed analyses of relevant design parameters.
The carbonate sands of the Sabkha layer in the Middle East have very low shear strength. Therefore, instant settlement and time-dependent secondary settlement occur when inner voids are exposed, as in the case of particle crushing. We analyzed settlement of the Sabkha layer under a large-scale foundation by hydrotesting, and compared the field test results with the results of laboratory tests. With ongoing particle crushing, we observed the following stress-strain behaviors: strain-hardening (Sabkha GL-1.5 m), strain-perfect (Sabkha GL-7.0 m), and strain-softening (Sabkha GL-7.5 m). General shear failure occurred most frequently in dense sand and firm ground. Although the stress-strain behavior of Sabkha layer carbonate sand that of strain-softening, the particle crushing strength was low compared with the strain-hardening and strain-perfect behaviors. The stress-strain behaviors differ between carbonate sand and quartz sand. If the relative density of quartz sand is increased, the shear strength is also increased. Continuous secondary compression settlement occurred during the hydrotests, after the dissipation of porewater pressure. Particle crushing strength is relatively low in the Sabkha layer and its stress-strain behavior is strain-softening or strain-perfect. The particle crushing effect is dominant factor affecting foundation settlement in the Sabkha layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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