Analysing the incompatible deformation and damage evolution around the tunnels in mixed strata is significant for evaluating the tunnel stability, as well as the interaction between the support system and the surrounding rock mass. To investigate this issue, confined compression tests were conducted on upper-soft and lower-hard strata specimens containing a circular hole using a rock testing system, the physical mechanical properties were then investigated. Then, the incompatible deformation and failure modes of the specimens were analysed based on the digital speckle correlation method (DSCM) and Acoustic Emission (AE) data. Finally, numerical simulations were conducted to explore the damage evolution of the mixed strata. The results indicate that at low inclination angles, the deformation and v-shaped notches inside the hole are controlled by the structure plane. Progressive spalling failure occurs at the sidewalls along the structure plane in soft rock. But the transmission of the loading force between the soft rock and hard rock are different in local. At high inclination angles, v-shaped notches are approximately perpendicular to the structure plane, and the soft and hard rock bear common loads. Incompatible deformation between the soft rock and hard rock controls the failure process. At inclination angles of 0°, 30° and 90°, incompatible deformations are closely related to rock damage. At 60°, incompatible deformations and rock damage are discordant due that the soft rock and hard rock alternately bears the major loads during the failure process. The failure trend and modes of the numerical results agree very well with those observed in the experimental results. As the inclination angles increase, the proportion of the shear or tensile damage exhibits a nonlinear increase or decrease, suggesting that the inclination angle of mixed strata may promote shear damage and restrain tensile damage.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.2
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pp.486-494
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1995
This paper introduces two kinds of new four-node quadrilateral axisymmetric elements with independently-assumed strains. They are formulated by the modified Hellinger-Reissner principle so as to employ incompatible displacements and assumed strains. In one of the present elements, the strains from incompatible displacements are corrected to pass the constant strain patch test. The other contains incompatible functions that are obtained from the element boundary condition. The elements are evaluated on the several problems of bending and material incompressibility with regular and distorted meshes. The results show that the new element performs excellently in deformation and stress calculation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.11
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pp.2871-2882
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1994
Two kinds of 4-node plane stress/strain finite elements are presented in this work. They are derived from the modified Hellinger-Reissner variational principle so as to employ the internal incompatible displacement and independent stress fields, or the incompatible displacement and strain fields. The introduced incompatible functions are selected to satisfy the constant strain condition. The elements are evaluated on several problems of bending and material incompressibility with regular and distorted elements. The results show that the new elements perform excellently in the calculation of deformation and stresses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.7
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pp.2078-2086
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1996
This paper introduces two three-dimensional eight-node hexagonal elements obtained by using multivariable variational mehtod. Both of them are based on the modified hellinger-reissner principle to employ incompatible displacements and assumed stresses of assumed strains. The internal functions of element are introduced to as element formulation through two different methods : the first one uses the functions determined directly from the element boundary condition of the incompatible displacements ; while the second, being a kind of B-bar mehtod, employs the modification technique of strain-displacement matrix to pass the patch test. The elements are evaluated on the selective problems of bending and material incompressibility with regular and distorted meshes. The results show that the new elements perform with good accuracy in both of deformation and stress calculation and they are insensitive to distorted geometry of element.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.12
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pp.2982-2994
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1993
Low-velocity impact responses of composite laminates are investigated using the finite element method based on various theories. In two-dimensional nonlinear analysis, a displacement field considering higher order shear deformation and large deflection of the laminate is assumed and a finite element formulation is developed using a C$^{o}$-continuous 9-node plate element. Also, three-dimensional linear analysis based on the infinitesimal strain-displacement assumptions is performed using 8-node brick elements with incompatible modes. A modified Hertzian contact law is incorporated into the finite element program to evaluate the impact force. In the time integration, the Newmark constant acceleration algorithm is used in conjuction with successive iterations within each time step. Numerical results from static analysis as well as the impact response analysis are presented including impact force histories, deflections, strains in the laminate. Impact responses according to two typical low-velocity impact conditions are compared each other.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.4
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pp.1133-1145
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1996
A method is proposed to predict the deformed shape of the structure subjected to the unknown external loads using the signal from the piezoceramic sensors. Such a shape estimation is based on the linear relationship between the deformation of structure and the signal from sensor, which is calculated using finite element method. The deformed shape is, then calculated using the linear matrix and the signals from the piezoceramic sensors attached to the structures. For the purpose, a structural analysis program is developed using a multi-layerd finite element of 8 nodes with 3 displacement and one voltage degrees of freedom at each node. The multiple layers with the different material properties can be layered within the element. The incompatible mode with the element is found to be crucial to catch the bending behavior accurately. The accuracy of the program is, then, verified by being compared with the experimental results performed by Crawley. The proposed shape estimation method is also verified for the different loads and sensor size. It is shown that the results of shape estimation method using the linear matrix well predicts the deflections compared with those of finite element method.
In this paper, an improved four-node Reissner-Mindlin plate-bending element with enhanced assumed strain field is presented for the analysis of isotropic and laminated composite plates. To avoid the shear locking and spurious zero energy modes, the transverse shear behavior is improved by the addition of a new enhanced shear strain based on the incompatible displacement mode approach and bubble function. The "standard" enhanced strain fields (Andelfinger and Ramm, 1993) are also employed to improve the in-plane behaviors of the plate elements. The four-node quadrilateral element derived using the first-order shear deformation theory is designated as "14EASP". Several applications are investigated to assess the features and the performances of the proposed element. The results are compared with other finite element solutions and analytical solutions. Numerical examples show that the element is stable, invariant, passes the patch test, and yields good results especially in highly distorted regimes.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.4
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pp.481-494
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2001
An enhanced degenerated shell finite element (FE), which has been developed for inelastic analysis of reinforced concrete structures is described in this paper. Generally, Reissner-Mindlin (RM) assumptions are adopted to develop the degenerated shell FE so that transverse shear deformation effects is considered. However, it is found that there are serious defects such as locking phenomena in RM degenerated shell FE since the stiffness matrix has been overestimated in some situations. As remedies of locking phenomena, reduced integration, incompatible mode and assumed strain method have been used. Especially, the assumed strain method has been successfully used in many FEs. But contrarily, there is a few investigation on the performance of the assumed strains in the inelastic analysis of concrete structures. Therefore, shell formulation is provided in this paper with emphasis on the terms related to the stiffness matrix based on assumed strain method and microscopic concrete material model. Finally, the performance of the present shell element is tested and demonstrated with several numerical examples. From the numerical tests, the present result shows a good agreement with experimental data or other numerical results.
Abundant spinel lherzolite xenoliths showing distinctively different textural types such as protogranular, porphyroclastic, and mylonitic texture are trapped in the basaltic rocks from southeastern part of Jeju Island. These xenoliths show the textural spectrum from coarse-grained protogranular through porphyroclastic with bimodal grain size to fine-grained and foliated mylonitic texture. They tend to decrease in grain sizes and show more linear grain boundaries and more frequent triple junctions from protogranular through porphyroclastic to mylonitic. Spinel has different occurrence mode according the textural type. Spinel is always associated with orthopyroxene in protogranular texture, whereas it is scattered and independent of orthopyroxene in mylonitic texture. Additionally, porphyroblast from porphyroclastic and mylonitic textures has internal deformation features such as kink band, undulatory extinction and curved lamella, whereas neoblast is strain-free. These textural features indicate increasing degree of static/dynamic recrystallization from protogranular through porphyroclastic to mylonitic texture. The mg#[$=100{\times}Mg/(Mg+Fe_t)$] of olivine, orthopyroxene and clinopyroxene is relatively constant (ol: 88-91; opx: 89-92; cpx: 89-92) regardless of textural differences. The mg# of constituent minerals, NiO content (0.3~0.4 wt%) and MnO content (0.1~0.2 wt%) of olivine are similar to those of mantle xenoliths worldwide, also indicating that studied spinel lherzolite xenoliths were mantle residues having experienced 20~25% partial melting. The geochemical and textural characteristics have close relations showing that LREE and incompatible trace elements content of orthopyroxene and clinopyroxene increases from protogranular through porphyroclastic to mylonitic. These observations suggest that the studied mantle xenoliths experienced metasomatism by LREE enriched melt or fluid after partial melting, indicating a close relation between deformation and metasomatism. The metasomatism was possibly confined to narrow shear zones from where porphyroclastic and mylonitic textured xenoliths originated. These shear zones might favorably drive the percolation of LREE-enriched melts/fluids responsible for the metasomatism in the lithospheric mantle below the Jeju Island.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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