Kim, Min-Jun;Lee, Seung-Rae;Yoon, Seok;Jeon, Jun-Seo;Kim, Min-Seop
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.34
no.1
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pp.17-24
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2018
A buffer in a geological disposal system minimizes groundwater inflow from the surrounding rock and protects the disposed high-level waste (HLW) against any mechanical impact. As decay heat of a spent fuel causes temperature variation in the buffer that affects the mechanical performance of the system, an accurate estimation of the temperature variation is substantial. The temperature variation is affected by thermal and material properties of the system such as thermal conductivity, density and specific heat capacity of the buffer, and thus these factors should be properly included in the design of the system. In particular, as the thermal properties are variable depending on the density and water content of the buffer, consideration of the effects should be included in the analysis. Hence, in this study, a numerical model based on finite element method (FEM) which is able to consider the change of density and water content of the buffer was established. In addition, using the numerical model, a parametric study was conducted to investigate the effect of each thermal property on the temperature variation of the buffer.
This paper presents the strength safety of stress and deformation behaviors using the finite element method as a function of the thickness of the protective helmets with and without an extruder on the top of the shell structure. The helmet that would provide head and neck protections without causing discomfort to the user when it was worn for long periods of time should be manufactured for increasing the safety and impact energy absorption. The stress analyzed results show that when the impulsive force of 4,540N is applied on the top surface of a helmet, the safe thickness is 3.7mm for the conventional helmet and 3.2mm for the modified new helmet. Based on the deformation analysis, the FEM results recommend that the safe thickness is 3.2mm for the conventional helmet and 2.0mm for the modified new helmet. Thus, it may be more safe design of the helmet, which has an extruded structure on the summit surface of the helmet.
This study derives the differential equations of free vertical bending and torsional vibrations for two- and three-pylon suspension bridges using d'Alembert's principle. The respective algorithms for natural vibration frequency and vibration mode are established through the separation of variables. In the case of the three-pylon suspension bridge, the effect of the along-bridge bending vibration of the middle pylon on the vertical bending vibration of the entire bridge is considered. The impact of torsional vibration of the middle pylon about the vertical axis on the torsional vibration of the entire bridge is also analyzed in detail. The feasibility of the proposed method is verified by two engineering examples. A comparative analysis of the results obtained via the proposed and more intricate finite element methods confirmed the former feasibility. Finally, the middle pylon stiffness effect on the vibration frequency of the three-pylon suspension bridge is discussed. It is found that the vibration frequencies of the first- and third-order vertical bending and torsional modes both increase with the middle pylon stiffness. However, the increase amplitudes of third-order bending and torsional modes are relatively small with the middle pylon stiffness increase. Moreover, the second-order bending and torsional frequencies do not change with the middle pylon stiffness.
Lee, Kyung Eun;Kim, Ki Tae;Lee, Jong Ho;Jung, Sujin;Kim, June-Hong;Shim, Eun Bo
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.23
no.1
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pp.63-70
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2019
We aimed to propose a novel computational approach to predict the electromechanical performance of pre- and post-mitral valve cerclage annuloplasty (MVCA). Furthermore, we tested a virtual estimation method to optimize the left ventricular basement tightening scheme using a pre-MVCA computer model. The present model combines the three-dimensional (3D) electromechanics of the ventricles with the vascular hemodynamics implemented in a lumped parameter model. 3D models of pre- and post-MVCA were reconstructed from the computed tomography (CT) images of two patients and simulated by solving the electromechanical-governing equations with the finite element method. Computed results indicate that reduction of the dilated heart chambers volume (reverse remodeling) appears to be dependent on ventricular stress distribution. Reduced ventricular stresses in the basement after MVCA treatment were observed in the patients who showed reverse remodeling of heart during follow up over 6 months. In the case who failed to show reverse remodeling after MVCA, more virtual tightening of the ventricular basement diameter than the actual model can induce stress unloading, aiding in heart recovery. The simulation result that virtual tightening of the ventricular basement resulted in a marked increase of myocardial stress unloading provides in silico evidence for a functional impact of MVCA treatment on cardiac mechanics and post-operative heart recovery. This technique contributes to establishing a pre-operative virtual rehearsal procedure before MVCA treatment by using patient-specific cardiac electromechanical modeling of pre-MVCA.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
The Half-depth precast deck is a structural system that utilizes pre-cast panels pre-built at the factory as formwork at the construction stage and as a major structural member at the same time after completion. These systems have joints between segments, and the detail and performance of the joints are factors that have a very large impact on the quality, such as the constructability and durability of the bridge decks. In this study, strength performance evaluation was performed for improved joints using connecting rebar by experimental method. Static loading tests were conducted on the test specimen with improved joint, those with existing joint and those without joint. The test results of the specimens were compared to each other, and the flexural strength required by the design was compared. The flexural strength required in the design was presented by finite element analysis. It has been shown that the flexural strength of the specimens with joints were more than twice that required by the design. But the flexural strength of the specimen with existing joint was about 84% of that without joint. The flexural strength of the specimen with improved joints was a nearly similar degree of that compared to the specimen without joint. And a comparison of the moment-deflection relationship curves of the two specimens also shows a very similar flexural behavior. It is confirmed that improved joint has sufficient flexural strength. In addition to strength, the bridge decks require serviceability, such as deflection and cracking, and in particular, fatigue resistance due to repetitive live loads is an important performance factor. Therefore, further verification studies are required.
Taghizadeh, Roohollah;Goshtasbi, Kamran;Manshad, Abbas Khaksar;Ahangari, Kaveh
Advances in Energy Research
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v.6
no.1
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pp.75-90
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2019
Anthropogenic greenhouse gas emissions are rising rapidly despite efforts to curb release of such gases. One long term potential solution to offset these destructive emissions is the capture and storage of carbon dioxide. Partially depleted hydrocarbon reservoirs are attractive targets for permanent carbon dioxide disposal due to proven storage capacity and seal integrity, existing infrastructure. Optimum well completion design in depleted reservoirs requires understanding of prominent geomechanics issues with regard to rock-fluid interaction effects. Geomechanics plays a crucial role in the selection, design and operation of a storage facility and can improve the engineering performance, maintain safety and minimize environmental impact. In this paper, an integrated geomechanics workflow to evaluate reservoir caprock integrity is presented. This method integrates a reservoir simulation that typically computes variation in the reservoir pressure and temperature with geomechanical simulation which calculates variation in stresses. Coupling between these simulation modules is performed iteratively which in each simulation cycle, time dependent reservoir pressure and temperature obtained from three dimensional compositional reservoir models in ECLIPSE were transferred into finite element reservoir geomechanical models in ABAQUS and new porosity and permeability are obtained using volumetric strains for the next analysis step. Finally, efficiency of this approach is demonstrated through a case study of oil production and subsequent carbon storage in an oil reservoir. The methodology and overall workflow presented in this paper are expected to assist engineers with geomechanical assessments for reservoir optimum production and gas injection design for both natural gas and carbon dioxide storage in depleted reservoirs.
Yangzhi Ren;Wenjing Guo;Xuechun Liu;Bin Wang;Piyong Yu;Xiaowen Ji
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.4
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pp.461-472
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2023
This paper proposes a novel method for increasing the distortional frame rigidity of off-rail box girder bridges for cranes by reinforcing the diaphragm with staggered truss. The study starts by using the Matrix Displacement Method to determine the shear angle of the staggered truss diaphragm under two assumptions: hinge joint and rigid joint. To obtain closed-form solutions for the transversal and longitudinal deformations and warping stress of the crane girder, the study employs the Initial Parameter Method and considers the compatibility of shear deformation at joints between the diaphragms and the girder. The theoretical solutions are validated through finite element analysis, which also confirms that the hinge-joint assumption accurately represents the shear angle of the staggered truss diaphragm in girder distortion. Additionally, the study conducts extensive parameter analyses to examine the impact of staggered truss dimensions on distortional stress and deformation. Furthermore, the study compares the distortional warping stresses of crane girders reinforced with staggered truss diaphragms and those reinforced with perforated ones, emphasizing the importance of incorporating stagger truss in diaphragms. Overall, this paper provides a thorough evaluation of the proposed approach's effectiveness in enhancing the distortional frame rigidity of off-rail box girder bridges for cranes. The findings offer valuable insights into the design and reinforcement of diaphragms using staggered truss to enhance the structural performance of crane girders.
Masoud Oulapour;Sam Esfandiari;Mohammad M. Olapour
Geomechanics and Engineering
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v.33
no.6
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pp.583-596
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2023
The interlayers, either softer or stiffer than the surrounding layers, are usually overlooked during field investigation due to the small thickness. They may be neglected through the analysis process for simplicity. However, they may significantly affect the dynamic behavior of the soil-foundation system. In this study, a series of 3D finite-element Direct-solution steady-state harmonic analyses were carried out using ABAQUS/CAE software to investigate the impacts of interlayers on the dynamic response of a cast in place pile group subjected to horizontal harmonic load. The experimental data of a 3×2 pile group testing was used to verify the numerical modeling. The effects of thickness, depth, and shear modulus of the interlayers on the dynamic response of the pile group are investigated. The simulations were conducted on both stiff and soft soils. It was found that the soft interlayers affect the frequency-amplitude curve of the system only in frequencies higher than 70% of the resonant frequency of the base soil. While, the effect of stiff interlayer in soft base soil started at frequency of 35% of the resonant frequency of the base soil. Also, it was observed that a shallow stiff interlayer increased the resonant amplitude by 11%, while a deep one only increased the resonant frequency by 7%. Moreover, a shallow soft interlayer increased the resonant frequency by 20% in soft base soils, whereas, it had an effect as low as 6% on resonant amplitude. Also, the results showed that deep soft interlayers increased the resonant amplitude by 17 to 20% in both soft and stiff base soils due to a reduction in lateral support of the piles. In the cases of deep thick, soft interlayers, the resonant frequency reduced significantly, i.e., 16 to 20%. It was found that the stiff interlayers were most effective on the amplitude and frequency of the pile group.
Recently, as construction technology improved, concrete structures not only became larger, taller and longer but were able to perform various functions. However, if extreme loads such as impact, blast, and fire are applied to those structures, it would cause severe property damages and human casualties. Especially, the structural responses from extreme loading are totally different than that from quasi-static loading, because large pressure is applied to structures from mass acceleration effect of impact and blast loads. Therefore, the strain rate effect and damage levels should be considered when concrete structure is designed. In this study, the low velocity impact loading test of steel fiber reinforced concrete (SFRC) slabs including 0%~1.5% (by volume) of steel fibers, and strengthened with two types of FRP sheets was performed to develop an impact resistant structural member. From the test results, the maximum impact load, dissipated energy and the number of drop to failure increased, whereas the maximum displacement and support rotation were reduced by strengthening SFRC slab with FRP sheets in tensile zone. The test results showed that the impact resistance of concrete slab can be substantially improved by externally strengthening using FRP sheets. This result can be used in designing of primary facilities exposed to such extreme loads. The dynamic responses of SFRC slab strengthened with FRP sheets under low velocity impact load were also analyzed using LS-DYNA, a finite element analysis program with an explicit time integration scheme. The comparison of test and analytical results showed that they were within 5% of error with respect to maximum displacements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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