Abed, Younes;Bouzid, Djillali Amar;Bhattacharya, Subhamoy;Aissa, Mohammed H.
Earthquakes and Structures
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v.10
no.5
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pp.1143-1179
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2016
Offshore wind turbines are considered as a fundamental part to develop substantial, alternative energy sources. In this highly flexible structures, monopiles are usually used as support foundations. Since the monopiles are large diameter (3.5 to 7 m) deep foundations, they result in extremely stiff short monopiles where the slenderness (length to diameter) may range between 5 and 10. Consequently, their elastic deformation patterns under lateral loading differ from those of small diameter monopiles usually employed for supporting structures in offshore oil and gas industry. For this reason, design recommendations (API and DNV) are not appropriate for designing foundations for offshore wind turbine structures as they have been established on the basis of full-scale load tests on long, slender and flexible piles. Furthermore, as these facilities are very sensitive to rotations and dynamic changes in the soil-pile system, the accurate prediction of monopile head displacement and rotation constitutes a design criterion of paramount importance. In this paper, the Fourier Series Aided Finite Element Method (FSAFEM) is employed for the determination of static impedance functions of monopiles for OWT subjected to horizontal force and/or to an overturning moment, where a non-homogeneous soil profile has been considered. On the basis of an extensive parametric study, and in order to address the problem of head stiffness of short monopiles, approximate analytical formulae are obtained for lateral stiffness $K_L$, rotational stiffness $K_R$ and cross coupling stiffness $K_{LR}$ for both rough and smooth interfaces. Theses expressions which depend only on the values of the monopile slenderness $L/D_p$ rather than the relative soil/monopile rigidity $E_p/E_s$ usually found in the offshore platforms designing codes (DNV code for example) have been incorporated in the expressions of the OWT natural frequency of four wind farm sites. Excellent agreement has been found between the computed and the measured natural frequencies.
Jayalekshmi, B.R.;Poojary, V.G. Deepthi;Venkataramana, Katta;Shivashankar, R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.48
no.1
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pp.1-16
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2013
The seismic response of RC space frame structures with isolated footing resting on a shallow soil stratum on rock is presented in this paper. Homogeneous soil stratum of different stiffness in the very soft to stiff range is considered. Soil, footing and super structure are considered to be the parts of an integral system. A finite element model of the integrated system is developed and subjected to scaled acceleration time histories recorded during two different real earthquakes. Dynamic analysis is performed using mode superposition method of transient analysis. A parametric study is conducted to investigate the effect of flexibility of soil in the dynamic behaviour of low-rise building frames. The time histories and Fourier spectra of roof displacement, base shear and structural response quantities of the space frame on compliant base are presented and compared with the fixed base condition. Results indicate that the incorporation of soil flexibility is required for the realistic estimate of structural seismic response especially for single storey structures resting on very soft soil.
Park, Won-Hee;Jo, Bum-Jin;Park, Jong-Hyuk;Kim, Tae-Kuk
Proceedings of the KSME Conference
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2004.11a
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pp.1341-1346
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2004
Detailed flame structures of the opposed flames formed for different oxidant compositions are studied numerically. The detailed chemical reactions are modeled by using the CHEMKIN code. Only the $CO_{2}$ and $H_{2}O$ are assumed to participate by absorbing the radiative energy while all other gases are assumed to be transparent. The discrete ordinates method and a narrow band based WSGGM with a gray gas regrouping technique are applied for modeling the radiative transfer through non-homogeneous and non-isothermal combustion gas mixtures generated by the opposed flow flames. The results show that the different radiation model can cause different results for flame structures and the WSGGM with gray gas regrouping is successful in modeling the opposed flames with non-gray gas mixture. The results also show that a reasonable information on the flame structure can be obtained from the modeling by considering different chemical compositions of the oxidant.
In an effort to construct a structure under the design principle of minimal use of materials for maximum performances, a discrete gradient structure has been introduced in laminate composite systems. Using a sequential linear programming method, the gradient structure of composites to maximize the buckling load was optimized in terms of fiber volume fraction and thickness of each layer. The buckling load showed maximum value with the outmost [$0^{\circ}$] layer concentrated by almost all the fibers when the ratio of length to width(aspect ratio) was less than 1.0. But when the aspect ratio was 2.0, the optimum was determined in a structure where the thickness and fiber volume fraction were well-balanced in each layer. From the optimization of gradient structure, the optimal fiber volume fraction and thickness of each layer were proposed. Gradient structures have also shown an advantage in the weight reduction of composites compared with the conventional homogeneous structures.
Long steel stay cables, which are mainly used in cable-stayed bridges, are easy to vibrate because of their low inherent damping characteristics. A lot of methods for vibration reduction of stay cables have been developed, and several techniques of them have been implemented to real structures, though each has its limitations. Recently, it was reported that smart (i.e. semi-active) dampers can potentially achieve performance levels nearly the same as comparable active devices with few of the detractions. Some numerical and experimental studies on the application of smart damping systems employing an MR fluid damper, which is one of the most promising smart dampers, to a stay cable were carried out; however, most of the previous studies considered only one specific control algorithm in which they are interested. In this study, the performance verification of MR fluid damper-based smart damping systems for mitigating vibration of stay cables by considering the four commonly used semi-active control algorithms, such as the control algorithm based on Lyapunov stability theory, the maximum energy dissipation algorithm, the modulated homogeneous friction algorithm and the clipped-optimal control algorithm, is systematically carried out to find the most appropriate control strategy for the cable-damper system.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.11a
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pp.68-72
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1999
In an effort to construct a structure under the design principle of minimal use of materials for maximum performances, a discrete gradient structure has been introduced in laminate composite systems. Using a sequential linear programming method, the gradient structure of composites to maximize the buckling load was optimized in terms of fiber volume fraction and thickness of each layer. Theoretical optimization results were then verified with experimental ones. The buckling load of laminate composite showed maximum value with the outmost [$0^{\circ}$] layer concentrated by almost all the fibers when the ratio of length to width(aspect ratio) was less than 1.0. But when the aspect ratio was 2.0, the optimum was determined in a structure where the thickness and fiber volume fraction were well balanced in each layer. From the optimization of gradient structure, the optimal fiber volume fraction and thickness of each layer were proposed. Experimental results agreed well with the theoretical ones. Gradient structures have also shown an advantage in the weight reduction of composites compared with the conventional homogeneous structures.
This paper investigates the static buckling behaviours of Functionally Gradient Polymeric Material (FGPM) shells in the form of hemispherical segment. A new FGPM model based on experimental was considered to investigate the buckling problem of thin-walled spherical shells loaded by the external pressure. The spherical shells were formed by FGPM which was produced adding the two types of graphite powders into epoxy resin. The graphite powders were added to the epoxy resin as volume of 3, 6, 9, and 12%. Halpin-Tsai and Paul models were used to determine the elastic moduli of the parts of FGPM. The detailed static buckling analyses were performed by using finite element method. The influences of the types and volume of graphite powders on the buckling behaviour of the FGPM structures were investigated. The buckling loads of hemispherical FGPM shells based on Halpin-Tsai and Paul models were compared with those determined from the analytical solution of non-graphite condition existing for homogeneous material model. The comparisons between these material models showed that Paul model was overestimated. Besides, the critical buckling loads were predicted. The higher critical buckling loads were estimated for the PV60/65 graphite powder due to the compatible of the PV60/65 graphite powder with resin.
In this work, a simple four-variable integral plate theory is employed for examining the thermal buckling properties of functionally graded material (FGM) sandwich plates. The proposed kinematics considers integral terms which include the effect of transverse shear deformations. Material characteristics and thermal expansion coefficient of the ceramic-metal FGM sandwich plate faces are supposed to be graded in the thickness direction according to a "simple power-law" variation in terms of the "volume fractions" of the constituents. The central layer is always homogeneous and consists of an isotropic material. The thermal loads are supposed as uniform, linear, and nonlinear temperature rises within the thickness direction. The influences of geometric ratios, gradient index, loading type, and type sandwich plate on the buckling properties are examined and discussed in detail.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.1
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pp.69-76
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2017
Seismic analyses of a pile under a large rigid basement foundation embedded in the homogeneous soil layer were performed practically by a response displacement method assuming a sinusoidal wave form. However, it is hard to take into account the characteristics of a large mat foundation and a heterogeneous soil layer with the response displacement method. The response displacement method is relevant to the 2D problems for longitudinal structures such as tunnel, underground cave structure, etc., but might not be relevant with isolated foundations for building structures. In this study, seismic pile analysis by a pseudo 3D finite element method was carried out to compare numerical results with results of the response displacement method considering 3D characteristics of a foundation-soil system which is important for the building foundation analyses. Study results show that seismic analyses results of a response displacement method are similar to those of a pseudo 3D numerical method for stiff and dense soil layers, but they are too conservative for a soft soil layer inducing large soil pressures on the foundation wall and large pile displacements due to ignored foundation rigidity and resistance.
This work investigates a thermomechanical bending analysis of functionally graded sandwich plates by proposing a novel quasi-3D type higher order shear deformation theory (HSDT). The mathematical model introduces only 5 variables as the first order shear deformation theory (FSDT). Unlike the conventional HSDT, the present one presents a novel displacement field which includes undetermined integral variables. The mechanical properties of functionally graded layers of the plate are supposed to change in the thickness direction according to a power law distribution. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic ceramic material. The governing equations for the thermomechanical bending investigation are obtained through the principle of virtual work and solved via Navier-type method. Interesting results are determined and compared with quasi-3D and 2D HSDTs. The influences of functionally graded material (FGM) layer thickness, power law index, layer thickness ratio, thickness ratio and aspect ratio on the deflections and stresses of functionally graded sandwich plates are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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