This paper presents a novel analytical formulation for the analysis of composite beams with partial shear interaction stiffened by a bolted longitudinal plate accounting for time effects, such as creep and shrinkage. The model is derived by means of the principle of virtual work using a displacement-based formulation. The particularity of this approach is that the partial interaction behaviour is assumed to exist between the top slab and the joist as well as between the joist and the bolted longitudinal stiffening plate, therefore leading to a three-layered structural representation. For this purpose, a novel finite element is derived and presented. Its accuracy is validated based on short-and long-term analyses for the particular cases of full shear interaction and partial shear interaction of two layers for which solutions in closed form are available in the literature. A parametric study is carried out considering different stiffening arrangements to investigate the influence on the short-and long-term behaviour of the composite beam of the shear connection stiffness between the concrete slab and the steel joist, the stiffness of the plate-to-beam connection, the properties of the longitudinal plate and the concrete properties. The values of the deflection obtained from the finite element simulations are compared against those calculated using the effective flexural rigidity in accordance with EC5 guidelines for the behaviour of elastic multi-layered beams with flexible connection and it is shown how the latter well predicts the structural response. The proposed numerical examples highlight the ease of use of the proposed approach in determining the effectiveness of different retrofitting solutions at service conditions.
Fiber reinforced polymer (FRP) applications in the structural engineering field include concrete-FRP composite systems, where FRP components are either attached to or embedded into concrete structures to improve their structural performance. This paper presents the results of an analytical study conducted using finite element model (FEM) to simulate the behavior of three-points load beam reinforced with GFRP and/or steel bars. To calibrate the FEM, a small-scale experimental program was carried out using six reinforced concrete beams with $200{\times}200mm$ cross section and 1000 mm length cast and tested under three point bending load. The six beams were divided into three groups, each group contained two beams. The first group was a reference beams which was cast without any reinforcement, the second group concrete beams was reinforced using GFRP, and the third group concrete beams was reinforced with steel bars. Nonlinear finite element simulations were executed using ANSYS software package. The difference between the theoretical and experimental results of beams vertical deflection and beams crack shapes were within acceptable degree of accuracy. Parametric study using the calibrated model was carried out to evaluate two parameters (1) effect of number and position of longitudinal main bars on beam behavior; (2) performance of concrete beam with composite longitudinal reinforcement steel and GFRP bars.
In this paper, quasi-static tests were carried out on three prefabricated reinforced concrete column-steel beam (RCS) sub-assemblages with floor slabs and one comparison specimen without floor slab. The effects of axial compression and floor slab on the seismic performance were studied, and finite element simulations were conducted using ABAQUS. The results showed that the failure of prefabricated RCS sub-assemblages with floor occurred as a joint beam and column failure mode, while failure of sub-assemblages without floor occurred due to beam plastic hinge formation. Compared to the prefabricated RCS sub-assemblages without floor slab, the overall stiffness of the sub-assemblages with floor slab was between 19.2% and 45.4% higher, and the maximum load bearing capacity increased by 26.8%. However, the equivalent viscosity coefficient was essentially unchanged. When the axial compression ratio increased from 0.24 to 0.36, the hysteretic loops of the sub-assemblages with floor became fuller, and the load bearing capacity, ductility, and energy dissipation capacity increased by 12.1%, 12.9% and 8.9%, respectively. Also, the initial stiffness increased by 10.2%, but the stiffness degradation accelerated. The proportion of column drift caused by beam end plastic bending and column end bending changed from 35% and 46% to 47% and 36%, respectively. Comparative finite element analyses indicated that the numerical simulation outcomes agreed well with the experimental results.
Dung T.P. Tran;Youngkyu Cho;Hwanwoo Seo;Byungmin Kim
Geomechanics and Engineering
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v.34
no.4
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pp.341-380
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2023
This study evaluates the seismic fragilities in fill slopes in South Korea through parametric finite element analyses that have been barely investigated thus far. We consider three slope geometries for a slope of height 10 m and three slope angles, and two soil types, namely frictional and frictionless, associated with two soil states, loose and dense for frictional soils and soft and stiff for frictionless soils. The input ground motions accounting for four site conditions in South Korea are obtained from one-dimensional site response analyses. By comparing the numerical modeling of slopes using PLAXIS2D against the previous studies, we compiled suites of the maximum permanent slope displacement (Dmax) against two ground motion parameters, namely, peak ground acceleration (PGA) and Arias Intensity (IA). A probabilistic seismic demand model is adopted to compute the probabilities of exceeding three limit states (minor, moderate, and extensive). We propose multiple seismic fragility curves as functions of a single ground motion parameter and numerous seismic fragility surfaces as functions of two ground motion parameters. The results show that soil type, slope angle, and input ground motion influence these probabilities, and are expected to help regional authorities and engineers assess the seismic fragility of fill slopes in the road systems in South Korea.
Structural failure due to seismic pounding between two adjacent buildings is one of the major concerns in the context of structural damage. Pounding between adjacent structures is a commonly observed phenomenon during major earthquakes. When modelling the structural response, stiffness of impact spring elements is considered to be one of the most important parameters when the impact force during collision of adjacent buildings is calculated. Determining valid and realistic stiffness values is essential in numerical simulations of pounding forces between adjacent buildings in order to achieve reasonable results. Several impact model stiffness values have been presented by various researchers to simulate pounding forces between adjacent structures. These values were mathematically calculated or estimated. In this study, a linear spring impact element model is used to simulate the pounding forces between two adjacent structures. An experimental model reported in literature was adopted to investigate the effect of different impact element stiffness k on the force intensity and number of impacts simulated by Finite Element (FE) analysis. Several numerical analyses have been conducted using SAP2000 and the collected results were used for further mathematical evaluations. The results of this study concluded the major factors that may actualise the stiffness value for impact element models. The number of impacts and the maximum impact force were found to be the core concept for finding the optimal range of stiffness values. For the experimental model investigated, the range of optimal stiffness values has also been presented and discussed.
Waveguides are transmission lines that guide electromagnetic waves in the desired direction and are utilized in various fields such as medical devices, radar systems, and satellite communications. Computational electromagnetics (CEM) is essential for designing and optimizing waveguides. The finite element method (FEM), which is one of the numerical analysis techniques, is efficient in solving closed problems such as waveguides. In order to apply FEM for waveguide analysis, boundary conditions that truncate the computational domain are required. This paper performs electromagnetic simulations using absorbing boundary conditions (ABC) and waveguide port boundary conditions (WPBC) in 2/D and 3/D waveguides using the finite element method and compared their performances. The accuracy of the analysis was verified by comparing the results with HFSS, a representative commercial electromagnetic simulation software. Simulation results confirm that applying WPBC allows for smaller analysis domains than ABC.
Due to the extension of communication ways (metro, highways, railways), hence, to improve traffic flow imposes often the difficult crossing that generally drive to the construction of underground works (tunnel, water conveyance tunnel...) plays a major role in the redevelopment of urban areas. This study is focused on the assessment of the interaction response of parallel tunnels, so this study uses the results from the simulation of two tunnels to illustrate a few observations that may aid in practical designs. In this article, simultaneous drilling of highway's twin tunnels is simulated by means of Finite Element Method (FEM) implemented in Plaxis program. So the treated subject appears in a setting of geotechnical where one can be to construct several tunnels sometimes in a ground of weak mechanical characteristics. The objective of this study is to simulate numerically the interaction effects caused by construction of two parallels tunnels. This is an important factor in the study of the total answer of the problem interaction between parallels underground works. The importance of the effects transmitted is function of several parameters as the type of the works, and the mechanical characteristics (tunnel size, depth, and the relative position between two tunnels, lining thickness...). This article describes numerical analyses of two parallels tunnels interaction. This study will be applied to a real case of a section tunnel T4 of the highway East-West (Algeria); the study presented below comprises a series of numerical simulations of two tunnels using the computer program Plaxis which is used in the analyses is based on Finite Element Method.
Golpasand, Gholamreza B.;Farzam, Masood;Shishvan, Siamak S.
Computers and Concrete
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v.25
no.2
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pp.181-192
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2020
Nowadays, steel fiber reinforced concretes (SFRCs) are widely used in practical applications. Significant experimental research has thus been carried out to determine the constitutive equations that represent the behavior of SFRCs under multiaxial loadings. However, numerical modelling of SFRCs via FEM has been challenging due to the complexities of the implementation of these constitutive equations. In this study, following the literature, a plasticity model is constructed for the behavior of SFRCs that involves the Willam-Warnke failure surface with the relevant evolution laws and a non-associated flow rule for determining the plastic deformations. For the precise (yet rapid) integration of the constitutive equations, an explicit substepping scheme consisting of yield intersection and drift correction algorithms is employed and thus implemented in ABAQUS via UMAT. The FEM model includes various material parameters that are determined from the experimental data. Three sets of parameters are used in the numerical simulations. While the first set is from the experiments that are conducted in this study on SFRC specimens with various contents of steel fibers, the other two sets are from the experiments reported in the literature. The response of SFRCs under multiaxial compression obtained from various numerical simulations are compared with the experimental data. The good agreement between numerical results and the experimental data indicates that not only the adopted plasticity model represents the behavior of SFRCs very well but also the implemented integration scheme can be employed in practical applications of SFRCs.
Park, Jae Hoon;Kim, Won Hyung;Kim, Hyun Sil;Choi, Young Cheol
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.33
no.10
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pp.805-811
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2016
Prior to installation in a navy ship, shipboard equipment should be qualified by shock test requirements. The multi-function console mounted on the elastic platform of the ship should also withstand given shock loads. In this study, both real shock test methods, as well as numerical computer simulations using the finite element method were used to verify structural durability under shock load conditions. First, we used domestic test facilities to perform possible shock tests, including an impact hammer test, a drop table test and a shaker shock test. Full model tests satisfying the shock response spectrum level were performed. Thereafter, an analytical model of the complex console structure was built by the finite element method. Finally, numerical results were verified by modal test results of the real product and an FEA analysis was also performed with a full model transient response analysis.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.17
no.4
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pp.169-176
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2018
Removal of angular deformation induced during the welding of butt joints in thick steel plates needs expert skill and is costly. To reduce deformation, proper joint designs are studied with a prediction of deformation prior to welding. However, as the thickness of a plate increases, a predictive analysis of the welding process is more difficult, especially if there is an increase in the number of welding passes in the joint. In this study, a numerical model with the finite element method (FEM) was developed to analyze the angular deformation in the multi-pass welding of butt joints of plates made of AH32 steel that had a thickness of up to 100 mm. A series of numerical simulations were then performed based on the developed model to predict the deformations for thick plates. With the results obtained by the analyses, this study suggested optimal X-shape grooves for the butt joints of thick plates to minimize the angular deformation. As the thickness of the plate increased to 100 mm, the ratio of the depth of the front-side groove to that of the back-side groove should be gradually increased to nearly 1:3.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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