A novel finite element (FE) model updating method based on multi-resolution analysis (MRA) is proposed. The true stiffness of the FE model is considered as the superposition of two pieces of stiffness information of different resolutions: the pre-defined stiffness information and updating stiffness information. While the resolution of former is solely decided by the meshing density of the FE model, the resolution of latter is decided by the limited information obtained from the experiment. The latter resolution is considerably lower than the former. Second generation wavelet is adopted to describe the updating stiffness information in the framework of MRA. This updating stiffness in MRA is realized at low level of resolution, therefore, needs less number of updating parameters. The efficiency of the optimization process is thus enhanced. The proposed method is suitable for the identification of multiple irregular cracks and performs well in capturing the global features of the structural damage. After the global features are identified, a refinement process proposed in the paper can be carried out to improve the performance of the MRA of the updating information. The effectiveness of the method is verified by numerical simulations of a box girder and the experiment of a three-span continues pre-stressed concrete bridge. It is shown that the proposed method corresponds well to the global features of the structural damage and is stable against the perturbation of modal parameters and small variations of the damage.
Limited, noisy data in vibration testing is a hindrance to the development of structural damage detection. This paper presents a method for optimizing sensor placement and performing damage detection using finite element model updating. Sensitivity analysis of the modal flexibility matrix determines the optimal sensor locations for collecting information on structural damage. The optimal sensor locations require the instrumentation of only a limited number of degrees of freedom. Using noisy modal data from only these limited sensor locations, a method based on model updating and changes in the flexibility matrix successfully determines the location and severity of the imposed damage in numerical simulations. In addition, a steel cantilever beam experiment performed in the laboratory that considered the effects of model error and noise tested the validity of the method. The results show that the proposed approach effectively and robustly detects structural damage using limited, optimal sensor information.
Tunneling is widely increased in rail-road construction due to the large portion of mountainous regions in Korea as well as the improving running performance of train. Tunneling under poor rock condition, shallow overburden, or existing fault zone has high risk for collapse. Therefore, this study presents the stability of tunnel under unfavorable geological conditions using finite element methods.
In composite structures, shear connectors are crucial components to resist the relative slip between the steel and concrete, and thereby to achieve the composite actions. In the service stage, composite structures are usually in elastic state, so the elastic stiffness of the shear connection is a quite important parameter in the structural analysis of composite structures. Nevertheless, the existing studies mainly focus on the load-slip relationship rather than the tangent stiffness at the initial elastic stage. Furthermore, when composite beams subjected to torque or local load, shear connections are affected by both tensile force and shear force. However, the stiffness of shear connections under combined effects appears not to have been discussed hitherto. This paper investigates the initial elastic stiffness of stud connections under combined effects of biaxial forces. The initial expression and the relevant parameters are obtained by establishing a simplified analytical model of the stud connection. Afterwards, parametric finite element analysis is performed to investigate the effects of the relevant factors, including the stud length, stud diameter, elastic modulus of concrete, elastic modulus of steel and volume ratio of reinforcement. The feasibility of the proposed modelling has been proved by comparing with sufficient experimental tests. Based on the analytical analysis and the extensive numerical simulations, design equations for predicting the initial elastic stiffness of stud connections are proposed. The comparison between the equations and the data of finite element models demonstrates that the equations are accurate enough to serve for engineering communities.
Sabouri-Ghomi, Saeid;Nasri, Arman;Jahani, Younes;Bhowmick, Anjan K.
Steel and Composite Structures
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v.38
no.4
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pp.463-476
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2021
The concept of using Steel-concrete (SC) composite walls as retaining walls has recently been introduced by the authors and their effectiveness of resisting out-of-plane loads has also been demonstrated. In this paper, an improved analytical formulation based on partial interaction theory, which has previously been developed by the authors, is presented. The improved formulation considers a new loading condition and also accounts for cracking in concrete to simulate the real conditions. Due to a limited number of test specimens, further finite element (FE)simulations are performed in order to verify the analytical procedure in more detail. It is observed that the results from the improved analytical procedure are in excellent agreement with both experimental and numerical results. Moreover, a detailed parametric study is conducted using the developed FE model to investigate effects of different parameters, such as distance between shear connectors, shear connector length, concrete strength, steel plate thickness, concrete cover thickness, wall's width to thickness ratio, and wall's height to thickness ratio, on the behavior of SC composite walls subjected to out-of-plane loads.
The Brace-Type Shear Fuse (BSF) device is a newly proposed steel damper with excellent cumulative ductility and stable energy dissipation. In consideration of the current situation where there are not many alternatives for transversal seismic devices used in long-span three-tower self-anchored bridges (TSSBs), this paper implements improved BSFs into the world's longest TSSB, named Jinan Fenghuang Yellow River Bridge. The new details of the BSF are developed for the TSSB, and the force-displacement hysteretic curves of the BSFs are obtained using finite element (FE) simulations. A three-dimensional refined finite element model for the research TSSB was established in SAP2000, and the effects of BSFs on dynamic characteristics and seismic response of the TSSB under different site conditions were investigated by the numerical simulation method. The results show that remarkable controlling effects of BSFs on seismic response of TSSBs under different site conditions were obtained. Compared with the case without BSFs, the TSSB installed with BSFs has mitigation ratios of the tower top displacement, lateral girder displacement, tower bending moment and tower shear force exceeding 95%, 78%, 330% and 346%, respectively. Meanwhile, BSFs have a sufficient restoring force mechanism with a minor post-earthquake residual displacement. The proposed BSFs exhibit good application prospects in long-span TSSBs.
Zhang, Zhi-Chao;Liu, Han-Long;Pak, Ronald Y.S.;Chen, Yu-Min
Geomechanics and Engineering
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v.7
no.6
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pp.613-631
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2014
To complement the method of field-scale seismic ground motion simulations by buried blast techniques, the application and evaluation of the capability of a numerical modeling platform to simulate buried explosion-induced ground motion at a real soil site is presented in this paper. Upon a layout of the experimental setup at a level site wherein multiple charges that were buried over a large-diameter circle and detonated in a planned sequence, the formulation of a numerical model of the soil and the explosives using the finite element code LS-DYNA is developed for the evaluation of the resulting ground motion and surface subsidence. With a compact elastoplastic cap model calibrated for the loess soils on the basis of the site and laboratory test program, numerical solutions are obtained by explicit time integration for various dynamic aspects and their relation with the field blast experiment. Quantitative comparison of the computed ground acceleration time histories at different locations and induced spatial subsidence on the surface afterwards is given for further engineering insights in regard to the capabilities and limitations of both the numerical and experimental approaches.
Wind uplift rating of roofing systems is based on standardized test methods. Roof specimens are placed in an apparatus with a specified table size (length and width) then subjected to the required wind load cycle. Currently, there is no consensus on the table size to be used by these testing protocols in spite of the fact that the table size plays a significant role in wind uplift performance. Part I of this paper presented a study with the objective to investigate the impact of table size on the performance of roofing systems. To achieve this purpose, extensive numerical experiments using the finite element method have been conducted and benchmarked with results obtained from the experimental work. The present contribution is a continuation of the previous research and can be divided into two parts: (1) Undertake additional numerical simulations for wider membranes that were not addressed in the previous works. Due to the advancement in membrane technology, wider membranes are now available in the market and are used in commercial roofing practice as it reduces installation cost and (2) Formulate a logical step to combine and generalize over 400 numerical tests and experiments on various roofing configurations and develop correction factors such that it can be of practical use to determine the wind uplift resistance of roofs.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2004.11a
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pp.175-185
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2004
Rotating disks are used in various machines such as data storage device, gyroscope, circular saw, etc. Transverse vibration of a rotating disk is very important for the performance of these machines. This work proposes a method to suppress transverse vibration of a very flexible rotating disk in non-contacting manner. A system considered in this study is a very flexible rotating disk with a thrust bearing pad which is located underneath the rotating disk. The pressure force generated in the gap between the rotating disk and the thrust pad pushes the rotating disk in the direction of axis of rotation while the centrifugal force and the elastic recovery force push the rotating disk in reverse direction. The balance between these forces suppresses the transverse vibration of the rotating disk. A coupled disk-fluid system is analyzed numerically. The finite element method is used to compute the pressure distribution between the thrust pad and the rotating disk while the finite difference method is used to compute the transverse vibration of a rotating disk. Results show that the transverse vibration of the rotating disk can be suppressed effectively for certain combination of air bearing and operating parameters.
An extended study was conducted on the fracture criterion by Choung et al. (2011; 2012) and Choung and Nam (2013), and the results are presented in two parts. The theoretical background of the fracture and the results of new experimental studies were reported in Part I, and three-dimensional fracture surface formulations and verifications are reported in Part II. How the corrected true stress can be processed from the extrapolated true stress is first introduced. Numerical simulations using the corrected true stress were conducted for pure shear, shear-tension, and pure compression tests. The numerical results perfectly coincided with test results, except for the pure shear simulations, where volume locking appeared to prevent a load reduction. The average stress triaxialities, average normalized lode parameters, and equivalent plastic strain at fracture initiation were extracted from numerical simulations to formulate a new three-dimensional fracture strain surface. A series of extra tests with asymmetric notch specimens was performed to check the validity of the newly developed fracture strain surface. Then, a new user-subroutine was developed to calculate and transfer the two fracture parameters to commercial finite element code. Simulation results based on the user-subroutine were in good agreement with the test results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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