Yousry B.I. Shaheen;Ghada M. Hekal;Ahmed K. Fadel;Ashraf M. Mahmoud
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.6
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pp.611-633
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2024
This study intends to investigate the response of multi-cell (MC) beams to flexural loads in which the primary reinforcement is composed of both metallic and non-metallic materials. "Multi-cell" describes beam sections with multiple longitudinal voids separated by thin webs. Seven reinforced concrete MC beams measuring 300×200×1800 mm were tested under flexural loadings until failure. Two series of beams are formed, depending on the type of main reinforcement that is being used. A control RC beam with no openings and six MC beams are found in these two series. Series one and two are reinforced with metallic and non-metallic main reinforcement, respectively, in order to maintain a constant reinforcement ratio. The first crack, ultimate load, deflection, ductility index, energy absorption, strain characteristics, crack pattern, and failure mode were among the structural parameters of the beams under investigation that were documented. The primary variables that vary are the kind of reinforcing materials that are utilized, as well as the kind and quantity of mesh layers. The outcomes of this study that looked at the experimental and numerical performance of ferrocement reinforced concrete MC beams are presented in this article. Nonlinear finite element analysis (NLFEA) was performed with ANSYS-16.0 software to demonstrate the behavior of composite MC beams with holes. A parametric study is also carried out to investigate the factors, such as opening size, that can most strongly affect the mechanical behavior of the suggested model. The experimental and numerical results obtained demonstrate that the FE simulations generated an acceptable degree of experimental value estimation. It's also important to demonstrate that, when compared to the control beam, the MC beam reinforced with geogrid mesh (MCGB) decreases its strength capacity by a maximum of 73.33%. In contrast, the minimum strength reduction value of 16.71% is observed in the MC beams reinforced with carbon reinforcing bars (MCCR). The findings of the experiments on MC beams with openings demonstrate that the presence of openings has a significant impact on the behavior of the beams, as there is a decrease in both the ultimate load and maximum deflection.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.3
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pp.155-162
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2014
Using an isogeometric approach, a continuum-based shape design optimization method is developed for steady state power flow problems at high frequencies. In case the isogeometric method is employed to the shape design optimization, the NURBS basis functions used in CAD geometric modeling are directly utilized to embed the exact geometry into the computational framework so that the design parameterization for shape optimization is much easier than that in the finite element method and consequently provides the enhanced smoothness of design perturbations. Thus, exact geometric models can be used in both the response and the shape sensitivity analyses, where normal vector and curvature are continuous over the whole design space so that enhanced shape sensitivity can be expected. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity is compared with finite difference one to provide excellent agreement. Also, it turns out that the proposed method works very well in the shape optimization problems.
Earth sciences is undergoing a gradual but massive shift from description of the earth and earth systems, toward process modeling, simulation, and process visualization. This shift is very challenging because the underlying physical and chemical processes are often nonlinear and coupled. In addition, we are especially challenged when the processes take place in strongly heterogeneous systems. An example is two-phase fluid flow in rocks, which is a nonlinear, coupled and time-dependent problem and occurs in complex porous media. To understand and simulate these complex processes, the knowledge of underlying pore-scale processes is essential. This paper presents a new attempt to use pore-scale simulations for understanding physical properties of rocks. A rigorous pore-scale simulator requires three important traits: reliability, efficiency, and ability to handle complex microstructures. We use the Lattice-Boltzmann (LB) method for singleand two-phase flow properties, finite-element methods (FEM) for elastic and electrical properties of rocks. These rigorous pore-scale simulators can significantly complement the physical laboratory, with several distinct advantages: (1) rigorous prediction of the physical properties, (2) interrelations among the different rock properties in a given pore geometry, and (3) simulation of dynamic problems, which describe coupled, nonlinear, transient and complex behavior of Earth systems.
Kim, Sitae;Jung, Kihyun;Lee, Junho;Park, Kihyun;Yang, Kwangjin
Tribology and Lubricants
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v.36
no.2
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pp.105-115
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2020
This paper presents a numerical study on the rotordynamic analysis of a dual-spool turbofan engine in the context of blade defect events. The blades of an axial-type aeroengine are typically well aligned during the compressor and turbine stages. However, they are sometimes exposed to damage, partially or entirely, for several operational reasons, such as cracks due to foreign objects, burns from the combustion gas, and corrosion due to oxygen in the air. Herein, we designed a dual-spool rotor using the commercial 3D modeling software CATIA to simulate blade defects in the turbofan engine. We utilized the rotordynamic parameters to create two finite element Euler-Bernoulli beam models connected by means of an inter-rotor bearing. We then applied the unbalanced forces induced by the mass eccentricities of the blades to the following selected scenarios: 1) fully balanced, 2) crack in the low-pressure compressor (LPC) and high pressure compressor (HPC), 3) burn on the high-pressure turbine (HPT) and low pressure compressor, 4) corrosion of the LPC, and 5) corrosion of the HPC. Additionally, we obtained the transient and steady-state responses of the overall rotor nodes using the Runge-Kutta numerical integration method, and employed model reduction techniques such as component mode synthesis to enhance the computational efficiency of the process. The simulation results indicate that the high-vibration status of the rotor commences beyond 10,000 rpm, which is identified as the first critical speed of the lower speed rotor. Moreover, we monitored the unbalanced stages near the inter-rotor bearing, which prominently influences the overall rotordynamic status, and the corrosion of the HPC to prevent further instability. The high-speed range operation (>13,000 rpm) coupled with HPC/HPT blade defects possibly presents a rotor-case contact problem that can lead to catastrophic failure.
Recently, several researches on the development of new economical foundation types have been performed to support floating structures as many offshore structures have been constructed. This study focused on the evaluation of bearing capacity of group suction piles, which are connected by a concrete pile cap. The offshore floating structures are mainly subjected to horizontal loading, so the horizontal bearing capacities of the group suction piles were analyzed by performing 3-dimensional finite element analyses. The group suction piles are expected to behave as a rigid pile due to its shallow embedded depth. Therefore, the detailed soil modeling was necessary to simulate the bearing behavior of soils under low confining pressure. The modulus and the strength of soils were modelled to increase with effective confining pressure in soils. For the parametric study, the center-to-center spacing between piles was varied and two soil types of clay and sands were applied. The analyses results showed that the yielding load of the group pile increased with the increase of the pile spacing and the yielding load of the group piles with 5D spacing was about 3 times larger than that of the single pile with free rotation.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.1
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pp.81-94
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2010
This paper deals with the fracture simulation of UHPFRC girder with the interface type model. Based on the existing numerical simulation of quasi-brittle fracture in normal strength concrete, constitutive modeling for UHPFRC I-girder has been improved by including a tensile hardening at the failure surface. The finite element formulation is based on a triangular unit, constructed from constant strain triangles, with nodes along its sides and neither at the vertex nor the center of the unit. Fracture is simulated through a hardening/softening fracture constitutive law in tension, a softening fracture constitutive law in shear as well as in compression at the boundary nodes, with the material within the triangular unit remaining linear elastic. LCP is used to formulate the path-dependent hardening-softening behavior in non-holonomic rate form and a mathematical programming algorithm is employed to solve the LCP. The piece-wise linear inelastic yielding-failure/failure surface is modeled with two compressive caps, two Mohr-Coulomb failure surfaces, a tensile yielding surface and a tensile failure surface. The comparison between test results and numerical results indicates this method effectively simulates the deformation and failure of specimen.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.3A
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pp.305-313
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2008
A reliability based calibration of dynamic load allowance (DLA) of highway bridge is performed by numerical dynamic analysis of various types of bridges taking into account of the road surface roughness and bridge-vehicle interaction. A total of 10 simply supported bridges with three girder types in the form of prestressed concrete girder, steel plate girder, and steel box girder is analyzed. The cross sections recommended in "The Standardized Design of Highway Bridge Superstructure" by the Korean Ministry of Construction are used for the prestressed concrete girder bridges and steel plate girder bridges while the box girder bridges are designed by the LRFD method. Ten sets of road surface roughness for each bridge are generated from power spectral density (PSD) function by assuming the roadway as "Average Road". A three dimensionally modeled 5-axle tractor-trailer with its gross weight the same as that of DB-24 design truck is used in the dynamic analysis. For the finite element modeling of superstructure, beam elements for the main girder, shell elements for concrete deck, and rigid links between main girder and concrete deck are used. The statistical mean and coefficient of variation of DLA are obtained from a total of 100 DLA results for 10 different bridges with each having 10 sets of road surface roughness. Applying the DLA statistics obtained, the DLA is finally calibrated in a reliability based LRFD format by using the formula developed in the calibration of OHBDC code.
Park, Jeongseon;Park, Duhee;Jee, Sunghyun;Kim, Dongjoon
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.16
no.9
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pp.33-41
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2015
The vertical bearing capacity of a bucket foundation installed in sand can be calculated as sum of the skin friction and end bearing capacity. However, the current design equations are not considering the non-associated flow characteristics of sand and the reduction in the skin friction and increase in the end bearing capacity when the vertical load is applied. In this study, we perform two-dimensional axisymmetric finite element analyses following non-associated flow rule and calculate the vertical bearing capacity of circular bucket foundation of various sizes installed in sand of different friction angles. After calculating the skin friction and end bearing force at the ultimate state, design equations are derived for each. The skin friction of bucket foundation is shown significantly small compared to the end bearing capacity. Considering the difference with the available design equation for piles, it is recommended that the equation for piles is used for the bucket foundation. A new shape-depth factor ($s_q{\cdot}d_q$) for bucket foundation is recommended which also accounts for the increment of the end bearing capacity due to skin friction. Additionally, the shape and depth factor of embedded foundation proposed from the associated flow rule can overestimate the bearing capacity in sand, so it is more adequate to use the shape-depth factor proposed in this study.
Kim, Sang-Woo;Jeong, Chan-Yu;Jung, Chang-Kyo;Kim, Kil-Hee
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.24
no.2
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pp.157-164
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2012
This study evaluates the shear performance of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates. A total of six specimens with various replacement ratios of recycled coarse aggregates (0%, 50%, and 100%) and different amount of shear reinforcement were cast and tested in this study. A finite element analysis was performed to predict the shear behavior of the specimens with natural or recycled coarse aggregates. The FE analysis was performed using a two-dimensional nonlinear FE analysis program based on the disturbed stress field model (DSFM), which is an extension of the modified compression field theory (MCFT). Experimental results showed that the specimens with 50% and 100% replacement ratios of recycled coarse aggregates had the similar shear strength compared to the specimen with natural aggregates, regardless of the replacement ratios of recycled coarse aggregates and the amount of the shear reinforcement. Furthermore, the comparison between experimental and analytical results showed that the proposed numerical modeling methods and the analytical model, DSFM, can be successfully used to predict the shear behavior of reinforced concrete beams with recycled coarse aggregates.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.4
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pp.329-334
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2017
The structures, which are made up with the huge number of degrees-of-freedom and the assembly of substructures, have a great complexity. In order to increase the computational efficiency, the analysis models have to be simplified. Many substructuring techniques have been developed to simplify large-scale engineering problems. The techniques are very powerful for solving nonlinear problems which require many iterative calculations. In this paper, a modal derivatives-based model order reduction method, which is able to capture the stretching-bending coupling behavior in geometrically nonlinear systems, is adopted and investigated for its performance evaluation. The quadratic terms in nonlinear beam theory, such as Green-Lagrange strains, can be explained by the modal derivatives. They can be obtained by taking the modal directional derivatives of eigenmodes and form the second order terms of modal reduction basis. The method proposed is then applied to a co-rotational finite element formulation that is well-suited for geometrically nonlinear problems. Numerical results reveal that the end-shortening effect is very important, in which a conventional modal reduction method does not work unless the full model is used. It is demonstrated that the modal derivative approach yields the best compromised result and is very promising for substructuring large-scale geometrically nonlinear problems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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