Column foot in traditional Chinese timber structures may be subjected to be uplifted due to the lateral load and subsequently reset under the vertical loads. The residual moment of the rocking column foot is the most important parameter representing the mechanical behaviors of column foot, and the simplification of joints is the basis of structural analysis of whole structure. The complicated mechanical behaviors of joint and the modeling of the column foot joint has been undertaken historically based on the experiments and numerical simulation. On the condition of limited application range of those models, a lack of simplified model to represent the mechanical behaviors of joint deserves attentions. There is a great need to undertake theoretical studies to derive the residual moment and make better simplified model of the joint. This paper proposes the residual moment and equivalent simplified model of the rotational stiffness for column foot joint. And, the timber frame is established based on the simplified model, which is verified by solid finite element model. Results show that a mutual agreement on the mechanical behaviors of the timber frame is obtained between the simplified model and the solid finite element model. This study can serve as the references of the structural analysis for the traditional timber structures.
Shallow footings usually belonged to the category of thick plate structures. For accurate analysis of thick plates, the contribution of out-of-plane components of the stress tensor should be considered in the formulation. Most of the available shallow footing models are based on the classical plate theories, which usually neglect the effects of the out-of-plane stresses. In this study, a mixed-field plate finite element model (FEM) is developed for the analysis of shallow footings rested on soil foundations. In addition to displacement field variables, the out-of-plane components of the stress tensor are also assumed as a priori unknown variables. For modeling the interaction effect of the soil under and outside of the shallow footings, the modified Vlasov theory is used. The tensionless nature of the supporting soil foundation is taken into account by adopting an incremental, iterative procedure. The equality requirement of displacements at the interface between the shallow footing and soil is fulfilled using the penalty approach. For validation of the present mixed FEM, the obtained results are compared with the results of 3D FEM and previous results published in the literature. The comparisons show the present mixed FEM is an efficient and accurate tool for solving the problems of shallow footings rested on subsoil.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.181-183
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2002
The accurate permeability for preform is critical to model and design the impregnation of fluid resin in the composite manufacturing process. In this study, the in-plane and transverse permeability for a woven fabric are predicted numerically through the coupled flow model which combines microscopic with macroscopic flow. The microscopic and macroscopic flow which are flows within the micro-unit and macro-unit cell, respectively, are calculated by using 3-D CVFEM(control volume finite element method). To avoid checker-board pressure field and improve the efficiency on numerical computation, A new interpolation function for velocity is proposed on the basis of analytic solutions. The permeability of plain woven fabric is measured through unidirectional flow experiment and compared with the permeability calculated numerically. Based on the good agreement of the results, the relationships between the permeability and the structures of preform such as the fiber volume fraction and stacking effect can be understood. The reverse and the simple stacking are taken in account. Unlike past literatures, this study is based on more realistic unit cell and the improved prediction of permeability can be achieved. It is observed that in-plane flow is more dominant than transverse flow in the real flow through preform and the stacking effect of multi-layered preform is negligible. Consequently, the proposed coupled flow model can be applied to modeling of real composite materials processing.
The present research reports the application of engineered cementitious composites (ECC) as an alternative to conventional concrete to improve the seismic behavior of short columns. Experimental and finite element investigation was conducted by testing five reinforced engineered cementitious composite (RECC) concrete columns (half-scale specimens) and one control reinforced concrete (RC) specimen for different shear-span and transverse reinforcement ratios under cyclic lateral loads. RECC specimens with higher shear-span and transverse reinforcement ratios demonstrated a significant effect on the column lateral load behavior by improving ductility (>5), energy dissipation capacity (1.2 to 4.1 times RC specimen), gradual strength degradation (ultimate drift >3.4%), and altering the failure mode. The self-confinement effect of ECC fibers maintained the integrity in the post-peak region and reserved the transmission of stress through fibers without noticeable degradation in strength. Finite element modeling of RECC specimens under monotonic incremental loads was carried out by adopting simplified constitutive material models. It was apprehended that the model simulated the global response (strength and stiffness) and damage crack patterns reasonably well.
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.
Strengthening of hollow structural sections using through-bolts is a cost-effective and straightforward approach. It's a versatile method that can be applied during both design and service phases, serving as a non-disruptive and budget-friendly retrofitting solution. Existing research on axially loaded hollow sections T-joints has demonstrated that this technique can amplify the joint strength by 50%, where single bolt could enhance the strength of the joint by 35%. However, there's a gap in understanding their use for K-joints. As the behavior of K-joints is more complex, and they are widely existent in structures, this study aims to bridge that gap by conducting comprehensive parametric study using finite element analysis. Numerical investigation was conducted to evaluate the effect of through bolts on K-joints focusing on using single through bolt to achieve most of the strengthening effect. A full-scale parametric model was developed to investigate the effect of various geometric parameters of the joint. This study concluded the existence of optimal bolt location to achieve the highest strength gain for the joint. Moreover, a rigorous statistical analysis was conducted on the data to propose design equations to predict optimal bolt location and the corresponding strength gain implementing the verified by finite element models.
Using negative Poisson's ratio materials, an innovative metallic-yielding damper is introduced for the first time in this study. Through the use of ABAQUS commercial software, a nonlinear finite element analysis is conducted to determine the performance of the proposed system. Mild steel plates with elliptical holes are used for these types of dampers, which dissipate energy through an inelastic deformation of the constitutive material. To assess the capability of the proposed damper, nonlinear quasi-static finite element analyses have been conducted on the damper with a variety of geometric parameters. According to the results, the proposed system is ductile and has a high capacity to dissipate energy. The proposed auxetic damper has a specific energy absorption of 910.8 J/kg and a ductility of 33.6. Therefore, this damper can dissipate a large amount of earthquake input energy without buckling by increasing the buckling load of the brace with its ductile behavior. In addition, it was found that by incorporating auxetic dampers in the steel frame, the frame was made harder, stronger, and ductile and its energy absorption increased by 300%.
In recent times, there has been a growing need to retrofit and strengthen reinforced concrete (RC) structures that have been damaged. Numerous studies have explored various methods for strengthening RC beams. However, there is a significant dearth of research investigating the utilization of ultra-high-performance concrete (UHPC) for retrofitting damaged RC beams within a concrete frame. This study aims to develop a finite element (FE) model capable of accurately simulating the nonlinear behavior of RC beams and subsequently implementing it in an RC concrete frame. The RC frame is subjected to loading until failure at two distinct degrees, followed by retrofitting and strengthening using Ultra high performance shotcrete (UHPS) through two different methods. The results indicate the successful simulation of the load-displacement curve and crack patterns by the FE model, aligning well with experimental observations. Novel techniques for reinforcing deteriorated concrete frame structures through ABAQUS are introduced. The second strengthening method notably improves both the load-carrying capacity and initial stiffness of the load-displacement curve. By incorporating embedded rebars in the frame's columns, the beam's load-carrying capacity is enhanced by up to 31% compared to cases without embedding. These findings indicate the potential for improving the design of strengthening methods for damaged RC beams and utilizing the FE model to predict the strengthening capacity of UHPS for damaged concrete structures.
Park, Du-Hee;Park, Jong-Bae;Kim, Sang-Yeon;Park, Yong-Boo
Land and Housing Review
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v.4
no.3
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pp.271-277
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2013
The BNWF (Beam on Nonlinear Winkler Foundation) model is one of the simplest idealizations for a pile embedded in soil as it ignores the continuity of the soil. This method is difficult to model the behavior of pile group foundation subjected to lateral loading. The limitation can be overcome with the utilization of the finite element method (FEM) or finite different method (FDM) to represent a pile element embedded in a soil medium. Both the ground and piles are modeled with soild elements. The solid elements, which do not have rotational degree of freedom, is not appropriate for modeling piles. It can be overcome by substantially increasing the number of elements, which can be prohibitive for 3D modeling. This paper used the beam element and rigid link incorporated in the OpenSees to model the pile. The accuracy of the model is validated through comparison with lateral load test and BNWF analysis. It is shown that the method can capture the measured behavior accurately. It is therefore recommended to be used in group pile analyses.
Accurate seismic analyses of large deformable moving structures are still unsolved problems in the field of earthquake engineering. In order to analyze these problems, the nonlinear finite element method formulated by the absolute nodal coordinate approach is noticed. Because, this formulation has several advantages over the standard procedures on mass matrix, elastic forces and damping forces in the case of large displacement problems. But, it has not been fully studied to build frame structure models by using beam elements in the absolute nodal coordinate formulation. In this paper, we propose the connecting method of the beam elements formulated by the absolute nodal coordinate. The coordinate transformation matrix of this element is introduced into the frame structure. This beam element has the characteristic that the mass matrix and bending stiffiness matrix are constant even if in the case of large displacement problems, and this characteristic is being kept after the transformation. In order to verify the proposed method, we show the numerical simulation results of frame structures for a vibration problem and a large displacement problem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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