The composite beam connections often encountered fracture failure in the welded bottom flange joint, and a bottom flange bolted connection has been proposed to increase the deformation ability of the bottom flange joint. The seismic performance of the bottom flange bolted composite beam connection was suffered from both the composite action of concrete slab and the asymmetric load transfer mechanisms between top and bottom beam flange joints. Thus, this paper presents a comprehensive numerical study on the working mechanism of the bottom flange bolted composite beam connections. Three available modelling methods and a new modelling method on the flange-stud-slab interactions were compared. The efficient numerical modeling method was selected and then applied to the parametric study. The influence of the composite slab, the bottom flange bolts, the shear composite ratio and the web hole shape on the seismic performance of the bottom flange bolted composite beam connections were investigated. A hogging strength calculation method was then proposed based on numerical results.
Magnetic anomalies are sensitive to magnetic properties present in deep Earth and near surface structures. Such geophysical characteristics often can be quantified by numerical analyses. In this study, we developed a finite element method (FEM) approach to compute magnetic anomalies using COMOL $Multiphysics^{(R)}$. This FEM approach was verified by comparing its numerical results with the previously known analytic solution for a uniformly magnetized sphere. Then, we used the method to compute magnetic reversal patterns near mid-ocean ridge with various faulting scenarios. This COMSOL-based approach can be incorporated into advanced multi-physical numerical models to understand the Earth.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.577-582
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2007
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 in analysis domain arc generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Thus. the solution space can be represented in terms of the same functions to represent the geometry. The coefficients of basis functions or the control variables play the role of degrees-of-freedom. Furthermore, due to h-. p-, and k-refinement schemes, the high order geometric features can be described exactly and easily without tedious re-meshing process. The isogeometric sensitivity analysis method enables us to analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. Also, it provides a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling. To obtain precise shape sensitivity, the normal and curvature of boundary should be taken into account in the shape sensitivity expressions. However, in conventional finite element methods, the normal information is inaccurate and the curvature is generally missing due to the use of linear interpolation functions. A continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of boundary. In isogeometric analysis, however, the geometric properties arc already embedded in the B-spline shape functions and control points. The perturbation of control points in isogeometric analysis automatically results in shape changes. Using the conventional finite clement method, the inter-element continuity of the design space is not guaranteed so that the normal vector and curvature arc not accurate enough. On tile other hand, in isogeometric analysis, these values arc continuous over the whole design space so that accurate shape sensitivity can be obtained. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
Khaled A. Alawi, Al-Sodani;Muhammad Kalimur ,Rahman;Mohammed A., Al-Osta;Omar S. Baghabra, Al-Amoudi
Earthquakes and Structures
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v.23
no.5
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pp.403-417
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2022
Reinforced concrete (RC) structures with low-strength RC columns are rampant in several countries, especially those constructed during the early 1960s and 1970s. The weakness of these structures due to overloading or some natural disasters such as earthquakes and building age effects are some of the main reasons to collapse, particularly with the scarcity of data on the impact of aspect ratio and corner radius on the confinement effectiveness. Hence, it is crucial to investigate if these columns (with different aspect ratios) can be made safe by strengthening them with carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) sheets. Therefore, experimental and numerical studies of CFRP-strengthened low-strength reinforced concrete short rectangular, square, and circular columns were studied. In this investigation, a total of 6 columns divided into three sets were evaluated. The first set had two circular cross-sectional columns, the second set had two square cross-section columns, and the third set has two rectangular cross-section columns. Furthermore, FEM validation has been conducted for some of the experimental results obtained from the literature. The experimental results revealed that the confinement equations for RC columns as per both CSA and ACI codes could give incorrect results for low-strength concrete. The control specimen (unstrengthened ones) displayed that both ACI and CSA equations overestimate the ultimate strength of low-strength RC columns by order of extent. For strengthened columns with CFRP, the code equations of CSA and ACI code overestimate the maximum strength by around 6 to 13% and 23 to 29%, respectively, depending on the cross-section of the column (i.e., square, rectangular, or circular). Results of finite element models (FEMs) showed that increasing the layer number of new commonly CFRP type (B) from one to 3 for circular columns can increase the column's ultimate loads by around eight times compared to unjacketed columns. However, in the case of strengthened square and rectangular columns with CFRP, the increase of the ultimate loads of columns can reach up to six times and two times, respectively.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.2
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pp.71-82
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2022
This paper presents the effect on the inelastic behavior and structural performance of concrete and filled steel pipe through a numerical method for reliable judgment under various load conditions of the CJS composite structural system. Variable values optimized for the CJS synthetic structural system and the effects of multiple variables used for finite element analysis to present analytical modeling were compared and analyzed with experimental results. The Winfrith concrete model was used as a concrete material model that describes the confinement effect well, and the concrete structure was modeled with solid elements. Through geometric analysis of shell and solid elements, rectangular steel pipe columns and steel elements were modeled as shell elements. In addition, the slip behavior of the joint between the concrete column and the rectangular steel pipe was described using the Surface-to-Surface function. After finite element analysis modeling, simulation was performed for cyclic loading after assuming that the lower part of the foundation was a pin in the same way as in the experiment. The analysis model was verified by comparing the calculated analysis results with the experimental results, focusing on initial stiffness, maximum strength, and energy dissipation capability.
These days, cement production is increasing due to the growing world population, leading to expanded use of concrete in buildings. Yet, the production of cement significantly increases carbon emissions, putting the future of sustainable development at risk. Geopolymers are under research for their potential to reduce the impact on concrete buildings. In order to tackle this issue, the literature has yet to utilize experiments or numerical modeling to thoroughly investigate the mechanical behavior of columns made of hybrid fiber-reinforced geopolymer concrete (HFRGC) and reinforced with basalt fiber reinforced polymer (BFRP) bars. This research aims to investigate and assess the mechanical performance of steel-reinforced HFRGC columns (SRHC) and BFRP-reinforced HFRGC columns (GRHC) in concentric and eccentric loading conditions through experimental testing and finite element analysis (FEA). HFRGC specimens were prepared using steel and polypropylene fibers. Twelve circular columns, six GRHC, and six SRHC specimens, were constructed with a diameter of 300 mm and a height of 1200 mm. The average axial strength (AS) of GRHC columns was found to be 92.13% of that of SRHC columns, according to the study. Under eccentric stress circumstances, both kinds of specimens showed comparable losses in AS; for example, GRHC specimens with 38 mm spiral spacing showed reductions of 39.01% and 43.12%. Good performance was shown by the suggested analytical relationships that were drawn from the experimental data. The AS of GRHC columns may be predicted using the newly established analytical and FEA models, which are well supported by this comparative analysis that takes into account the wrapping impact of lateral BFRP spirals and the axial participation of primary BFRP bars.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.4
no.3
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pp.146-155
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1992
It has been conventional to treat the land boundary as a fixed one in numerical modeling of tidal flows, particularly in the finite element scheme. However conventional models using the fixed land boundary result in unrealistic tidal flows in inter-tidal zones which exist over wide coastal area in Korea. In this study, a 2-dimensional hydrodynamic model, using finite element method for moving boundary problems was developed. The performance of the model was tested in a rectangular channel with an open boundary at one end and a moving boundary at the other end. The model was applied to calculate the tidal currents in Maro Hae, located in the southwestern part of Korea where wide tidal flats develop. The behavior of tidal currents in the Udolmok and near the tidal flats in the study area was satisfactory when compared with the observed data. Variation of tidal currents due to the construction of Kochunam sea-dyke which barrages large area of tidal flat was presented. The results of this study confirm the efficiency of moving boundary treatment in coastal numerical models.
This paper presents the results of a numerical investigation into the behavior of retaining wall subject to cycles of freezing and thawing due to seasonal temperature change. The thermo-hydro-mechanical coupled finite element modeling strategy was first established to simulate the wall behavior. A series of finite element analyses were then performed on a range of conditions representing seasonal temperature change characteristics. The results indicated that the average freezing temperature and the number of cycles of freezing and thawing were the primary influencing factors for the wall behavior. Also revealed was that the duration of freezing period does not significantly affect the wall displacement and the lateral earth pressure, and that the earth pressure on the wall does not significantly change due to the freezing and thawing action suggesting that the increase in the wall displacement during the freezing and thawing action may be attributed to degradation of backfill due to the freezing and thawing action.
For reliable determination of mechanical characteristics of adhesively bonded joints used e.g. as input data for computer-aided design of complex components, the thick-adherend tensile-shear test according to ISO 11003-2 is the most important material testing method. Although the total displacement of the joint is measured across the polymer layer directly in the overlap zone in order to minimize the influence of the stepped adherends, the substrate deformation must be taken into account within the framework of the evaluation of the shear modulus and the maximum shear strain, at least when high-strength adhesives are applied. In the standard ISO 11003-2 version of 1993, it was prescribed to perform the substrate deformation correction by means of testing a one-piece reference specimen. The authors, however, pointed to the excessive demands on the measuring accuracy of the extensometers connected with this technique in industrial practice and alternatively proposed a numerical deformation analysis of a dummy specimen. This idea of a mathematical correction was included in the revised ISO 11003-2 version of 2001 but in the simplified form of an analytical method based on Hooke's law of elasticity for small strains. In the present work, it is shown that both calculation techniques yield considerably discordant results. As experimental assessment would require high-precision distance determination (e.g. laser extensometer), finite element analyses of the deformation behavior of the bonded joint are performed in order to estimate the accuracy of the obtained substrate deformation corrections. These simulations reveal that the numerical correction technique based on the finite element deformation modeling of the reference specimen leads to considerably more realistic results.
The high precision analysis by the p-version of the finite element method are fairly well established as highly efficient method for linear elastic problems, especially in the presence of stress singularity. It has been noted that the merits of the p-version are accuracy, modeling simplicity, robustness, and savings in user's and CPU time. However, little has been done to exploit their benefits in elasto-plastic analysis. In this paper, the p-version finite element model is proposed for the materially nonlinear analysis that is based on the incremental theory of plasticity using the constitutive equation for work-hardening materials, and the associated flow rule. To obtain the solution of nonlinear equation, the Newton-Raphson method and initial stiffness method, etc are used. Several numerical examples are tested with the help of the square plates with cutout, the thick-walled cylinder under internal pressure, and the circular plate with uniformly distributed load. Those results are compared with the theoretical solutions and the numerical solutions of ADINA
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[게시일 2004년 10월 1일]
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