This paper presents comparative studies of reliability analysis and meta-modeling using the sampling method of Monte Carlo simulation for the structure design of an automatic ocean salt collector (AOSC). The thickness sizing variables of structure members are considered as random variables. Probabilistic performance functions are selected from strength performances evaluated via the finite element analysis of an AOSC. The sampling methods used in the comparative studies are simple random sampling and Sobol sequences with varied numbers of sampling. Approximation methods such as the Kriging model is applied to the meta-model generation. Reliability performances such as the probability failure and distribution are compared based on the variation of the sampling method of Monte Carlo simulation. The meta-modeling accuracy is evaluated for the Kriging model generated from the Monte Carlo simulation and Sobol sequence results. It is discovered that the Sobol sequence method is applicable to not only to the reliability analysis for the structural design of marine equipment such as the AOSC, but also to Kriging meta-modeling owing to its high numerical efficiency.
This paper presents a numerical study on the performance of reinforced concrete (RC) bridge structures subjected to heavy goods vehicle (HGV) collision. The objectives of this study are to investigate the dynamic response and failure modes of different types of bridges under impact loading as well as to give an insight into the simplified methods for modeling bridge structures. For this purpose, detailed finite-element models of HGV and bridges are established and verified against the full-scale collision experiment and a recent traffic accident. An intensive parametric study with the consideration of vehicle weight, vehicle velocity, structural type, simplified methods for modeling bridges is conducted; then the failure mode, impact force, deformation and internal force distribution of the validated bridge models are discussed. It is observed that the structural type has a significant effect on the force-transferring mechanism, failure mode and dynamic response of bridge structures, thus it should be considered in the anti-impact design of bridge structures. The impact force of HGV is mainly determined by the impact weight, impact velocity and contact interface, rather than the simplification of the superstructure. Furthermore, to reduce the modeling and computing cost, it is suggested to utilize the simplified bridge model considering the inertial effect of the superstructure to evaluate the structural impact behavior within a reasonable precision range.
The behavior of the soil subgrade is complex and irregular against loads. When modeling, the soil is often replaced by a more straightforward system called a subgrade model. The Winkler method of linear elastic springs is a popular method of soil modeling in which the spring constant shows the modulus of subgrade reaction. In this research, the factors affecting the distribution of the modulus of subgrade reaction of elastoplastic subgrades are examined. For this purpose, critical theories about the modulus of subgrade reaction were examined. A square raft foundation on a sandy soil subgrade with was analyzed at different internal friction angles and Young's modulus values using ABAQUS software. To accurately model the actual soil behavior, the elastic, perfectly plastic constitutive model was applied to investigate a foundation on discrete springs. In order to increase the accuracy of soil modeling, equations have been proposed for the distribution of the subgrade reaction modulus. The constitutive model of the springs is elastic, perfectly plastic. It was observed that the modulus of subgrade reaction under an elastic load decreased when moving from the corner to the center of the foundation. For the ultimate load, the modulus of subgrade reaction increased as it moved from the corner to the center of the foundation.
Copper canisters are commonly employed to contain HLW for the long-term, making it crucial to understand how corrosion affects the canister. This study conducted a comparative analysis of two widely used calculation methods for modeling canister corrosion within a 3-D DGR domain. The first method, termed transport-limited corrosion, assumes an immediate sulfide-copper reaction and has been traditionally used due to its conservative nature. The second method, known as the potential-limited corrosion, considers coupled redox reactions at the canister surface and computes corrosion rates through anodic current density. From the results, we found that the edge of the canister geometry and the omission of electrochemical kinetics impose critical limitations with the transport-limited corrosion method. These limitations include the singularity problem, excessive sensitivity to the curvature of the canister's edge, and an inability to evaluate the distribution of corrosion rate over the canister surface as a function of the sulfide concentration. On the other hand, the potential-limited corrosion method avoided the limitations found in the other method. Since the factors relating to these limitations are critical to the design and optimization of the copper disposal canister, careful consideration when selecting appropriate calculation methods for corrosion will be required.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.3
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pp.339-345
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2007
In this paper, a variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions for response analysis are generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Furthermore, the solution space for the response analysis can be represented in terms of the same functions to represent the geometry, which enables to provide a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling and analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. In this paper, a continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is extensively derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of geometry In the isogeometric analysis, however, the geometric properties are already embedded in the B-spline basis functions and control points so that it has potential capability to overcome the aforementioned difficulties. Through some numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
The use of spliced reinforcing bars in sustainable concrete members to manage inadequate bars length is a common practical issue which is may be due to some limitations. The lap splicing means two bars overlapped in parallel with specified length called the splice length in order to provide the required bond between the two bars. The bond between sustainable concrete and spliced steel bars is another important issue. The normal strength sustainable concrete specimens of sizes 1700×150×150 mm with tension reinforcement lap spliced were selected according to testing device length limitations. These members were designed to fail in flexure in order to investigate the lap spliced tension bars effect. The selected lap spliced tension bars were of 10 mm size with smooth and deformed surfaces in order to investigate the surface nature accompanied with the splice nature. The sustainable concrete mechanical properties and mix workability were also studied. This study reveals that the effect of number of spliced bars on the response of beams reinforced with smooth bars is found to be more obvious than deformed one. Finite element modeling in three dimensions was carried out for the tested beams using ABAQUS software. A parametric study is carried out using finite elements on considering the following parameters, concrete compressive strength, load type and opening in cross section (hollow section) for weight reduction purposes.The laboratory and numerical results show good agreements in terms of ultimate load and deflection with an average difference of 10% and 15% in ultimate load and deflection respectively.
A new numerical algorithm of finite element methods is presented to solve high Deborah number flow problems with geometric singularities. The steady inertialess planar 4 : 1 contraction flow is chosen for its test. As a viscoelastic constitutive equation, we have applied the globally stable (dissipative and Hadamard stable) Leonov model that can also properly accommodate important nonlinear viscoelastic phenomena. The streamline upwinding method with discrete elastic-viscous stress splitting is incorporated. New interpolation functions classified as rational interpolation, an alternative formalism to enhance numerical convergence at high Deborah number, are implemented not for the whole set of finite elements but for a few elements attached to the entrance comer, where stress singularity seems to exist. The rational interpolation scheme contains one arbitrary parameter b that controls the singular behavior of the rational functions, and its value is specified to yield the best stabilization effect. The new interpolation method raises the limit of Deborah number by 2∼5 times. Therefore on average, we can obtain convergent solution up to the Deborah number of 200 for which the comer vortex size reaches 1.6 times of the half width of the upstream reservoir. Examining spatial violation of the positive definiteness of the elastic strain tensor, we conjecture that the stabilization effect results from the peculiar behavior of rational functions identified as steep gradient on one domain boundary and linear slope on the other. Whereas the rational interpolation of both elastic strain and velocity distorts solutions significantly, it is shown that the variation of solutions incurred by rational interpolation only of the elastic strain is almost negligible. It is also verified that the rational interpolation deteriorates speed of convergence with respect to mesh refinement.
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.
The purpose of this study is to develop the basic algorithm for the finite element method modeling of individual malocclusions. Usually, a great deal of time is spent in preprocessing. To reduce the time required, we developed a standardized procedure for measuring the position of each tooth and a program to automatically preprocess. The following procedures were carried to complete this study. 1. Twenty-eight teeth morphologies were constructed three-dimensionally for the finite element analysis and saved as separate files. 2. Standard brackets were attached so that the FA points coincide with the center of the brackets. 3. The study model of a patient was made. 4. Using the study model, the crown inclination, angulation, and the vertical distance from the tip of a tooth was measured by using specially designed tools. 5. The arch form was determined from a picture of the model with an image processing technique. 6. The measured data were input as a rotational matrix. 7. The program provides an output file containing the necessary information about the three-dimensional position of teeth, which is applicable to several finite element programs commonly used. The program for a basic algorithm was made with Turbo-C and the subsequent outfile was applied to ANSYS. This standardized model measuring procedure and the program reduce the time required, especially for preprocessing and can be applied to other malocclusions easily.
Woo, Kwang S.;Lee, Dong W.;Yang, Seung H.;Ahn, Jae S.
Geomechanics and Engineering
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v.15
no.5
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pp.1101-1111
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2018
This study aims to present accurate soil modeling and validation of a single roadside guardrail post as well as a single concrete pile installed near cut slopes or compacted sloping embankment. The conventional Winkler's elastic spring model and p-y curve approach for horizontal ground cannot directly be applied to sloping ground where ultimate soil resistance is significantly dependent on ground inclination. In this study, both grid-based 3-D FE model and particle-based SPH (smoothed particle hydrodynamics) model available in LS-DYNA have been adopted to predict the static behavior of a laterally loaded guardrail post. The SPH model has potential to eliminate any artificial soil stiffness due to the deterioration of the node-connected Lagrangian soil mesh. For this purpose, this study comprises two parts. Firstly, only 3-D FE modeling has been tested to show the numerical validity for a single concrete pile in sloping ground using Mohr-Coulomb material. However, this material option cannot be implemented for SPH elements. Nevertheless, Mohr-Coulomb model has been used since this material model requires six input soil data that can be obtained from the comparative papers in literatures. Secondly, this work is extended to compute the lateral resistance of a guardrail post located near the slope using the hybrid approach that combines Lagrange FE elements and SPH elements by the suitable node-merging option provided by LS-DYNA. For this analysis, the FHWA soil material developed for application to road-base soils has been used and also allows the application of SPH element.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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