This paper deals with a hybrid finite element method for wave scattering problems in infinite domains. Scattering of waves involving complex geometries, in conjunction with infinite domains is modeled by introducing a mathematical boundary within which a finite element representation is employed. On the mathematical boundary, the finite element representation is matched with a known analytical solution in the infinite domain in terms of fields and their derivatives. The derivative continuity is implemented by using a slope constraint. Drilling degrees of freedom at each node of the finite element model are introduced to make the numerical model more sensitive to the transverse component of the elastodynamic field. To verify the effects of drilling degrees freedom and slope constraints individually, reflection of normally incident P and SV waves on a traction free half spaces is considered. For the P-wave incidence, the results indicate that the use of slope constraint is more effective because it suppresses artificial reflection at the mathematical boundary. For the SV-wave case, the use of drilling degrees freedom is more effective by reducing numerical error at irregular frequencies.
Mirzaee, Mohammad Javad;Alaee, Farshid Jandaghi;Hajsadeghi, Mohammad;Zirakian, Tadeh
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.693-700
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2017
Concrete cover cracking due to the corrosion of steel reinforcing bars is one of the main causes of deterioration in Reinforced Concrete (RC) structures. The oxidation level of the bars causes varying levels of expansion. The rebar expansions could lead to through-thickness cracking of the concrete cover, where depending on the cracking characteristics, the service life of the structures would be affected. In this paper, the effect of geometrical and material parameters, i.e., concrete cover thickness, reinforcing bar diameter, and concrete tensile strength, on the required pressure for concrete cover cracking due to corrosion has been investigated through detailed numerical simulations. ABAQUS finite element software is employed as a modeling platform where the concrete cracking is simulated by means of eXtended Finite Element Method (XFEM). The accuracy of the numerical simulations is verified by comparing the numerical results with experimental data obtained from the literature. Using a previously proposed empirical equation and the numerical model, the time from corrosion initiation to the cover cracking is predicted and then compared to the respective experimental data. Finally, a parametric study is undertaken to determine the optimum ratio of the rebar diameter to the reinforcing bars spacing in order to avoid concrete cover delamination.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.1
s.256
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pp.105-112
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2007
The linkage framework of geometric modeling based on NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) surface and shell finite analysis is developed in the present study. For this purpose, geometrically exact shell finite element is implemented. NURBS technology is employed to obtain the exact geometric quantities for the analysis. Especially, because NURBS is the most powerful and wide-spread method to represent general surfaces in the field of computer graphics and CAD(Computer Aided Design) industry, the direct computation of surface geometric quantities from the NURBS surface equation without approximation shows great potential for the integration between geometrically exact shell finite element and geometric modeling in the CAD systems. Some numerical examples are given to verify the performance and accuracy of the developed linkage framework. In additions, trimmed surfaces with some cutouts are considered for more practical applications.
Finite element simulation of elastic wave propagation in a concrete plate was carried out to investigate its modeling and damage detection procedures. For the numerical stability three criteria were introduced and tested. With a proper element size and time increment, two different kinds of damage scenarios (crack and deterioration) were applied to verify the feasibility of the finite element simulation. It is shown that the severities of those damages are sensitive to the received displacement signals.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.2
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pp.141-149
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2002
Although the finite element method has become an indispensible tool for the dynamic analysis of structures, difficulty remains to quantify the errors associated with discretization. To improve the modeling accuracy, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for the Timoshenko beam element are derived using the exact dynamic element modeling (EDEM) and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. A combined use of finite element method and exact interpolation functions is presented to gain more accurate mode shape functions. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design/reanalysis problems. Timoshenko flames with tapered sections are tested to demonstrate the design procedure with the proposed method. The numerical study shows that the combined use of finite element model and exact dynamic element model is very useful.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.8
no.2
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pp.141-155
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2014
The use of fiber reinforced polymer (FRP) composites in strengthening reinforced concrete beam-column subassemblies has been scrutinised both experimentally and numerically in recent years. While a multitude of numerical models are available, and many match the experimental results reasonably well, there are not many studies that have looked at the efficiency of different finite elements in a comparative way in order to clearly identify the best practice when it comes to modelling FRP for strengthening. The present study aims at investigating this within the context of FRP retrofitted reinforced concrete beam-column subassemblies. Two programs are used side by side; ANSYS and VecTor2. Results of the finite element modeling using these two programs are compared with a recent experimental study. Different failure and yield criteria along with different element types are implemented and a useful technique, which can reduce the number of elements considerably, is successfully employed for modeling planar structures subjected to in-plane loading in ANSYS. Comparison of the results shows that there is good agreement between ANSYS and VecTor2 results in monotonic loading. However, unlike VecTor2 program, implicit version of ANSYS program is not able to properly model the cyclic behavior of the modeled subassemblies. The paper will be useful to those who wish to study FRP strengthening applications numerically as it provides an insight into the choice of the elements and the methods of modeling to achieve desired accuracy and numerical stability, a matter not so clearly explored in the past in any of the published literature.
The main purpose of this paper is the numerical analysis of the non-linear seismic response of a RC building mock-up. The mock-up is subjected to different synthetic horizontal seismic excitations. The numerical approach is based on a 3D-model involving multilayered shell elements. These elements are composed of several single-layer membranes with various eccentricities. Bending effects are included through these eccentricities. Basic equations are first written for a single membrane element with its own eccentricity and then generalised to the multilayered shell element by superposition. The multilayered shell is considered as a classical shell element : all information about non-linear constitutive relations are investigated at the local scale of each layer, whereas balance and kinematics are checked afterwards at global scale. The non-linear dynamic response of the building is computed with Newmark algorithm. The numerical dynamic results (blind simulations) are considered in the linear and non linear cases and compared with experimental results from shaking table tests. Multilayered shell elements are found to be a promising tool for predictive computations of RC structures behaviour under 3D seismic loadings. This study was part of the CAMUS International Benchmark.
Murthy, A. Rama Chandra;Ganapathi, S. Chitra;Saibabu, S.;Lakshmanan, N.;Jayaraman, R.;Senthil, R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.33
no.5
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pp.605-619
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2009
This paper presents the details of finite element (FE) modeling and analysis of an external prestressing technique to strengthen a prestressed concrete (PSC) end block. Various methods of external prestressing techniques have been discussed. In the proposed technique, transfer of external force is in shear mode on the end block creating a complex stress distribution. The proposed technique is useful when the ends of the PSC girders are not accessible. Finite element modeling issues have been outlined. Brief description about material nonlinearity including key aspects in modeling inelastic behaviour has been provided. Finite element (FE) modeling including material, loading has been explained in depth. FE analysis for linear and nonlinear static analysis has been conducted for varying external loadings. Various responses such as out-of-plane deformation and slip have been computed and compared with the corresponding experimental observations. From the study, it has been observed that the computed slope and slip of the steel bracket under external loading is in good agreement with the corresponding experimental observations.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.703-714
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2010
This paper proposes an approach for staged finite element modeling with coupled seepage and stress analysis. The stage modeling is based on the predefined inter-relationship between the base model and the unit stage models. A unit stage constitutes a complete finite element model, of which the geometries and attributes are subject to changes from stage to stage. The seepage analysis precedes the mechanical stress analysis at every stage. Division of the wet and dry zone and the pore pressures are evaluated from the seepage analysis and used in determining input data for the stress analysis. The results of the stress analysis may also be associated with the pore water pressures. For consolidation analysis, the pore pressure and the displacement variables are mixed in a coupled matrix equation. The time marching solution produces the dissipation of excess pore pressure and variation of stresses with passage of time. For undrained analysis, the excess pore pressures are computed from the stress increment due to loading applied in the unit stage and are used in revising the hydraulic head. The solution results of a unit stage are inherited and accumulated to the subsequent stages through the relationship of the base model and the individual unit stages. Implementation of the proposed approach is outlined on the basis of the core procedures, and numerical examples are presented for demonstration of its application.
This study presents a methodology for the system reliability analysis of cracked structures with random material properties, which are modeled as random fields, and crack geometry under random static loads. The finite element method provides the computational framework to obtain the stress intensity solutions, and the first-order reliability method provides the basis for modeling and analysis of uncertainties. The ultimate structural system reliability is effectively evaluated by the stable configuration approach. Numerical examples are given for the case of random fracture toughness and load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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