Based on the random cracking theory, the cylinder RVE model of reinforced concrete is established and the damage process is divided into three stages as the evolution of the cracks. The stress distribution along longitude direction of the concrete and the steel bar in the cylinder model are derived. The equivalent elastic modulus of the RVE are derived and the user-defined field variable subroutine (USDFLD) for the equivalent elastic modulus is well integrated into the ABAQUS. Regarding the tensile rebars and the concrete surrounding the rebars as the equivalent homogeneous transversely isotropic material, and the FEM analysis for the reinforced concrete beams is conducted with the USDFLD subroutine. Considering the concrete cracking and interfacial debonding, the macroscopic damage process of the reinforced concrete beam under four-point bending loading in the simulation. The volume fraction of rebar and the cracking degree are mainly discussed to reveal their influence on the macro-performance and they are calibrated with experimental results. Comparing with the bending experiment performed with 8 reinforced concrete beams, the bending stiffness of the second stage and the ultimate load simulated are in good agreement with the experimental values, which verifies the effectiveness and the accuracy of the improved finite element method for reinforced concrete beam.
Safety and structural integrity of civil structures, like bridges and buildings, can be substantially enhanced by employing appropriate structural health monitoring (SHM) techniques for timely diagnosis of incipient damages. The information gathered from health monitoring of important infrastructure helps in making informed decisions on their maintenance. This ensures smooth, uninterrupted operation of the civil infrastructure and also cuts down the overall maintenance cost. With an early warning system, SHM can protect human life during major structural failures. A real-time online damage localization technique is proposed using only the vibration measurements in this paper. The concept of the 'Degree of Scatter' (DoS) of the vibration measurements is used to generate a spatial profile, and fractal dimension theory is used for damage detection and localization in the proposed two-phase algorithm. Further, it ensures robustness against environmental and operational variability (EoV). The proposed method works only with output-only responses and does not require correlated finite element models. Investigations are carried out to test the presented algorithm, using the synthetic data generated from a simply supported beam, a 25-storey shear building model, and also experimental data obtained from the lab-level experiments on a steel I-beam and a ten-storey framed structure. The investigations suggest that the proposed damage localization algorithm is capable of isolating the influence of the confounding factors associated with EoV while detecting and localizing damage even with noisy measurements.
Hadianfard, Mohammad Ali;Eskandari, Fateme;JavidSharifi, Behtash
Steel and Composite Structures
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v.28
no.3
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pp.309-318
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2018
Buckling Restrained Braced (BRB) frames have been widely used as an efficient seismic load resisting system in recent years mostly due to their symmetric and stable hysteretic behavior and significant energy dissipation capacity. In this study, to provide a better understanding of the behavior of BRB frames with various beam-column connections, a numerical study using non-linear finite element (FE) analysis is conducted. All models are implemented in the Abaqus software package following an explicit formulation. Initially, the results of the FE model are verified with experimental data. Then, diverse beam-column connections are modeled for the sake of comparison from the shear capacity, energy dissipation and frame hysteresis behavior points of view until appropriate performance is assessed. The considered connections are divided into three different categories: (1) simple beam-column connections including connection by web angle and connection by seat angle; (2) semi-rigid connection including connection by web and seat angles; and (3) rigid beam-column connections by upper-lower beam plates and beam connections with web and flange splices. Results of the non-linear FE analyses show that these types of beam-column connections have little effect on the maximum story drift and shear capacity of BRB frames. However, the connection type has a significant effect on the amount of energy dissipation and hysteresis behavior of BRB frames. Also, changes in length and thickness of the angles in simple and semi-rigid connections and changes in length and thickness of plates in rigid connections have slight effects (less than 4%) on the overall frame behavior.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.35
no.1
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pp.59-66
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1993
Ring Sector Plate Supported by Elastic Beam Although all the reinforced concrete circular ring sector plates are elastically supported, it is conventional to simplify their supporting conditions as fixed or simply-supported ones assuming that their supporting beam has infinite stiffness. However, in order to obtain a precise solution, it should be required to consider the stiffness of their supporting beam. As a methodological improvement to the precise analysis, "Reinforced Concrete Model" previously developed by the author was applied to the structural analysis of the reinforced concrete circular ring sector plates with elastically supported beam. The results of analysis in the cases under various conditions of open angle, steel ratio, relative stiffness(EI/DL) between plate and supporting beam were summarized as follows ; 1.Although the effect of relative stiffness between plate and supporting beam varies depending on the magnitude of open angle, in general, it shows the largest when not more than 5.0 and negligible when not less than 10.0. Therefore, it would be considered as fixed supporting condition :in the case of its open angle of 0$^{\circ}$rectangular plates), its stiffness ratio being not less than 10.0 and in the other case of its open angle of 30$^{\circ}$, its stiffness ratio being not less than 5.0. 2.In the rectangular plates, the effect of steel ratio is considerable in no supporting condition, but neglible in the supporting condition. So, the effect of steel ratio should be negligible in the case of the elastically supported circular ring sector plates. 3.However, the effect of steel ratio is much more considerable in the case of the fixed supported circular plates, especially, when steel ratio being not more than 1.0% and stiffness ratio being smaller. So, the effect of steel ratio should be considered in the analysis of reinforced concreate circular ring sector plates with fixed conditions. 4.The effect of open angle is greater in the case of without-supporting beam conditions. However, in the other case of with-supporting beam conditions, the effect is a little bit when open angle of not more than 300 and negligible when open angle of not more than 30$^{\circ}$.
When the vertical load-bearing members in high-rise structures fail locally, the beam-column joints play an important role in the redistribution of the internal forces. In this paper, a static laboratory test of three full-scale flush flange beam-reinforced connections with side and cover plates (CP-FBSP connection) with double half-span steel beams and single L-shaped columns composed of concrete-filled steel tubes (L-CFST columns) was conducted. The influence of the side plate width and cover plate thickness on the progressive collapse resistance of the substructure was thoroughly analyzed. The failure mode, vertical force-displacement curves, strain variation, reaction force of the pin support and development of internal force in the section with the assumed plastic hinge were discussed. Then, through the verified finite element model, the corresponding analyses of the thickness and length of the side plates, the connecting length between the steel beam flange and cover plate, and the vertical-force eccentricity were carried out. The results show that the failure of all the specimens occurred through the cracking of the beam flange or the cover plate, and the beam chord rotations measured by the test were all greater than 0.085 rad. Increasing the length, thickness and width of the side plates slightly reduced the progressive collapse resistance of the substructures. The vertical-force eccentricity along the beam length reduced the progressive collapse resistance of the substructure. An increase in the connecting length between the beam flange and cover plate can significantly improve the progressive collapse resistance of substructures.
Murat, Aras;Tolga, Yilmaz;Ozlem, Caliskan;Ozgur, Anil;R. Tugrul, Erdem;Turgut, Kaya
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.5
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pp.619-632
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2022
Reinforced concrete (RC) structures may be subjected to sudden dynamic impact loads such as explosions occurring for different reasons, the collision of masses driven by rockfall, flood, landslide, and avalanche effect structural members, the crash of vehicles to the highway and seaway structures. Many analytical, numerical, and experimental studies focused on the behavior of RC structural elements such as columns, beams, and slabs under sudden dynamic impact loads. However, there is no comprehensive study on the behavior of the RC column-beam connections under the effect of sudden dynamic impact loads. For this purpose, an experimental study was performed to investigate the behavior of RC column-beam connections under the effect of low-velocity impact loads. Sixteen RC beam-column connections with a scale of 1/3 were manufactured and tested under impact load using the drop-weight test setup. The concrete compressive strength, shear reinforcement spacing in the beam, and input impact energy applied to test specimens were taken as experimental variables. The time histories of impact load acting on test specimens, accelerations, and displacements measured from the test specimens were recorded in experiments. Besides, shear and bending crack widths were measured. The effect of experimental variables on the impact behavior of RC beam-column connections has been determined and interpreted in detail. Besides, a finite element model has been established for verification and comparison of the experimental results by using ABAQUS software. It has been demonstrated that concrete strength, shear reinforcement ratio, and impact energy significantly affect the impact behavior of RC column-beam connections.
Kim, Seung-Jun;Han, Seung-Ryong;Kim, Jong-Min;Cho, Sun-Kyu;Kang, Young-Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.23
no.1
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pp.13-27
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2011
This paper presents an investigation of the structural stability of cable-stayed bridges, using geometric nonlinear finite-element analysis and considering various geometric nonlinearities, such as the sag effect of the cables, the beam-column effect of the girder and mast, and the large displacement effect. In this analytic research, a nonlinear frame element and a nonlinear equivalent truss element were used to model the girder, mast, and cable member. The live-load cases that were considered in this research were assumed based on the traffic loads. To perform reasonable analytic research, initial shape analyses in the dead-load case were performed before live-load analysis. In this study, the geometric nonlinear responses of the cable-stayed bridges with different cable arrangement types were compared. After that, parametric studies on the characteristics of the structural stability in critical live-load cases were performed considering various geometric parameters, such as the cable arrangement type, the stiffness ratios of the girder and mast, the area of the cables, and the number of cables. Through this parametric study, the effect of geometric shapes on the structural stability of cable-stayed bridges was investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.7
s.262
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pp.764-776
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2007
On the human-rifle system, the human body is affected by the firing impact. The firing impact will reduce the firing accuracy and change the initial shooting posture. Therefore the study of biomechanical characteristics using human-rifle modeling and numerical investigation is needed. The musculoskeletal model is developed by finite element method using beam and spar elements. In this study structural analysis has been performed in order to investigate the human body impact by firing of 5.56mm small caliber machine gun. The firing experiments with the standing shooting postures were performed to verify analytical results. The result if this study shows analytical displacements of the human-rifle system and experimental displacements of the real firing. As the results, the analytical displacement and stress of human body are presented.
In this paper, a hybrid boundary element technique is implemented to analyze nonlinear transient pile soil interaction in Gibson type nonhomeogenous soil. Inelastic modeling of soil media is presented by introducing a rational approximation to the continuum with nonlinear interface springs along the piles. Modified $\ddot{O}$zdemir's nonlinear model is implemented and systems of equations are coupled at interfaces for piles and pile groups. Linear beam column finite elements are used to model the piles and the resulting governing equations are solved using an implicit integration scheme. By enforcing displacement equilibrium conditions at each time step, a system of equations is generated which yields the solution. A numerical example is performed to investigate the effects of nonlinearity on the pile soil interaction.
In this paper, a parallel algorithm of nonlinear dynamic analysis of three-dimensional (3D) reinforced concrete (RC) frame structures based on the platform of graphics processing unit (GPU) is proposed. Time integration is performed using Newmark method for nonlinear implicit dynamic analysis and parallelization strategies are presented. Correspondingly, a parallel Preconditioned Conjugate Gradients (PCG) solver on GPU is introduced for repeating solution of the equilibrium equations for each time step. The RC frames were simulated using fiber beam model to capture nonlinear behaviors of concrete and reinforcing bars. The parallel finite element program is developed utilizing Compute Unified Device Architecture (CUDA). The accuracy of the GPU-based parallel program including single precision and double precision was verified in comparison with ABAQUS. The numerical results demonstrated that the proposed algorithm can take full advantage of the parallel architecture of the GPU, and achieve the goal of speeding up the computation compared with CPU.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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