A strain-gradient crystal plasticity finite element method(SGCP-FEM) was utilized to simulate the compressive deformation behaviors of single-slip, (111)[$10{\bar{1}}$], oriented FCC single-crystal micro-pillars with two different slip-plane inclination angles, $36.3^{\circ}$ and $48.7^{\circ}$, and the simulation results were compared with those from conventional crystal plasticity finite element method(CP-FEM) simulations. For the low slip-plane inclination angle, a macroscopic diagonal shear band formed along the primary slip direction in both the CP- and SGCP-FEM simulations. However, this shear deformation was limited in the SGCP-FEM, mainly due to the increased slip resistance caused by local strain gradients, which also resulted in strain hardening in the simulated flow curves. The development of a secondly active slip system was altered in the SGCP-FEM, compared to the CP-FEM, for the low slip-plane inclination angle. The shear deformation controlled by the SGCP-FEM reduced the overall crystal rotation of the micro-pillar and limited the evolution of the primary slip system, even at 10 % compression.
This paper presents an investigation on seismic behavior of out-of-code Q690 circular high-strength concrete-filled thin-walled steel tubular (HCFTST) columns made up of high-strength (HS) steel tubes (yield strength $f_y{\geq}690MPa$). Eight Q690 circular HCFTST columns with various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cylinder compressive strengths ($f_c$) and axial compression ratios (n) were tested under the constant axial loading and reversed cyclic lateral loading. The obtained lateral load-displacement hysteretic curves, energy dissipation, skeleton curves and ductility, and stiffness degradation were analyzed in detail to reflect the influences of tested parameters. Subsequently, a simplified shear strength model was derived and validated by the test results. Finally, a finite element analysis (FEA) model incorporating a stress triaxiality dependent fracture criterion was established to simulate the seismic behavior. The systematic investigation indicates the following: compared to the D/t ratio and axial compression ratio, improving the concrete compressive strength (e.g., the HS thin-walled steel tube filled with HS concrete) had a slight influence on the ductility but an obvious enhancement of energy dissipation and peak load; the simplified shear strength model based on truss mechanism accurately predicted the shear-resisting capacity; and the established FEA model incorporating steel fracture criterion simulated well the seismic behavior (e.g., hysteretic curve, local buckling and fracture), which can be applied to the seismic analysis and design of Q690 circular HCFTST columns.
Concrete filled double skin tubular members (CFDST) consist of double concentric circular or square steel tubes with concrete filled between the two steel tubes. The CFDST members, having a hollow section inside the internal tube, are generally lighter than ordinary concrete filled steel tubular members (CFT) which have a solid cross-section. Therefore, when the CFDST members are applied to bridge piers, reduction of seismic action can be expected. The present study aims to investigate, experimentally, the behavior of CFDST stub columns with double concentric square steel tubes filled with concrete (SS-CFDST) when working under centric compression. Two test parameters, namely, inner-to-outer width ratio and outer square steel tube's width-to-thickness were selected and outer steel tube's width-to-thickness ratio ranging from 70 to 160 were considered. In the results, shear failure of the concrete fill and local buckling of the double skin tubes having largest inner-to-outer width ratio were observed. A method to predict axial loading capacity of SS-CFDST is also proposed. In addition, the load capacity in the axial direction of stub column test on SS-CFDST is compared with that of double circular CFDST. Finally, the biaxial stress behavior of both steel tubes under plane stress is discussed.
Rong, Chong;Tian, Wenkai;Shi, Qingxuan;Wang, Bin;Shah, Abid Ali
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.1
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pp.19-29
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2022
The angle steel frame confined concrete columns (ASFCs) are an emerging form of hybrid columns, which comprise an inner angle steel frame and a concrete column. The inner angle steel frame can provide axial bearing capacity and well confining effect for composite columns. This paper presents the experimental and theoretical studies on the seismic behaviour of ASFCs. The experimental study of the 6 test specimens is presented, based on the previous study of the authors. The theoretical study includes two parts. One part establishes the section analysis model, and it uses to analyze section axial force-moment-curvature. Another part establishes the section moment-curvature hysteresis model. The test and analysis results show that the axial compression ratio and the assembling of steel slabs influence the local buckling of the angle steel. The three factors (axial compression ratio, content of angle steel and confining effect) have important effects on the seismic behaviour of ASFCs. And the theoretical model can provide reasonably accurate predictions and apply in section analysis of ASFCs.
To seek an atmospheric heating mechanism operating on the Sun we investigated a heating source generated by a downflow, both of which may arise in a magnetic loop dynamically formed on the Sun via flux emergence. Since an observation shows that the illumination of evolving magnetic loops under the dynamic formation occurs sporadically and intermittently, we performed a magnetohydrodynamic simulation of flux emergence to obtain a high-cadence simulated data, where temperature enhancement was identified at the footpoint of an evolving magnetic loop. Unlike a rigid magnetic loop with a confined flow in it, the evolving loop in a low plasma β atmosphere is subjected to local compression by the magnetic field surrounding the loop, which drives a strong supersonic downflow generating an effective footpoint heating source in it. This may introduce an energy conversion system to the magnetized atmosphere of the Sun, in which the free magnetic energy causing the compression via Lorentz force is converted to the flow energy, and eventually reduced to the thermal energy. Dynamic and thermodynamic states involved in the system are explained.
Alluvial soil is challenging to work with due to its high compressibility. Thus, consolidation settlement of this type of soil should be accurately estimated. Accurate estimation of the consolidation settlement of alluvial soil requires accurate prediction of compressibility parameters. Geotechnical engineers usually use empirical correlations to estimate these compressibility parameters. However, no attempts have been made to develop correlations to estimate compressibility parameters of alluvial soil. Thus, this paper aims to develop new models to predict the compression and recompression indices (Cc and Cr) of alluvial soils. As part of the study, geotechnical laboratory tests have been conducted on large number of undisturbed samples of local alluvial soil. The obtained results from these tests in addition to available results from the literature from different parts in the world have been compiled to form the database of this study. This database is then employed to examine the accuracy of the available empirical correlations of the compressibility parameters and to develop the new models to estimate the compressibility parameters using the nonlinear regression analysis. The accuracy of the new models has been accessed using mean absolute error, root mean square error, mean, percentage of predictions with error range of ±20%, percentage of predictions with error range of ±30%, and coefficient of determination. It was found that the new models outperform the available correlations. Thus, these models can be used by geotechnical engineers with more confidence to predict Cc and Cr.
In this paper, quasi-static crushing tests of composite circular tubes under axial compression load are conducted to investigate the energy absorption characteristics. Circular tubes used for this experiment are glass/epoxy (GFRP) composite tubes which are fabricated by the filament winding method. One edge of the composite tube is chamfered to reduce the initial peak load and to prevent catastrophic failure during crushing process. Energy absorption characteristics vary significantly according to the constituent materials, fabrication conditions, tube geometry and test condition. In tube geometry, according as inner diameter increase, unstable crush mode is caused by local buckling of delamination, but control of the fiber orientation should help composite tubes get stable crush mode.
To increase the stiffness and strength of a reinforced concrete shear wall, steel plates are bolted to the sides of the wall. The general behavior of a composite concrete-steel shear wall is dependent on the buckling of the steel plates that should be prevented. In this paper, the unilateral buckling of steel plates of a composite shear wall is studied using the Rayleigh-Ritz method. To model the unilateral buckling of steel plate, the restraining concrete wall is described as an elastic foundation with high stiffness in compression and zero stiffness in tension. To consider the effect of bolt connections on the plate's buckling, a constrained optimization problem is solved by using Lagrange multipliers method. This process is used to obtain the critical elastic local buckling coefficients of unilaterally-restrained steel plates with various numbers of bolts, subjected to pure compression, bending and shear loading, and the interaction between them. Using these results, the spacing between shear bolts in composite steel plate shear walls is estimated and compared with the results of the AISC seismic provisions (2016). The results show that the AISC seismic provisions(2016) are overly conservative in obtaining the spacing between shear bolts.
In view of the importance of material reduction and rational structural design due to the rapid increase in oil and steel prices, an optimized structural hybrid design system for the doubler plate of a ship's hull structure was developed. A direct design process by a structural designer was added to this developed optimized system to increase the design efficiency and provide a way of directly inserting a designer's decisions into the design system process. As the first step of the doubler design system development, the design formulas used in doubler design system were introduced. Based on the introduction of influence coefficients $K_{t_c}$$K_{t_d}$, $K_{b_d}$ and $K_{a_d}$ according to the variations in the doubler length, breadth, doubler thickness, and average corrosion thickness of the main plate, the design formulas for an equivalent plate thickness were developed, and a hybrid design system using these formulas was suggested for the slender doubler plate of a ship structure subjected to a longitudinal in-plane compression load. By using this developed design system, a more rational doubler plate design can be expected considering the efficient reinforcement of the plate members of ship structures. Additionally, a more detailed structural analysis through local strength evaluations will be performed to verify the efficiency of the optimum structural design for the doubler plate.
The $12^{th}$ rib syndrome is a disease that causes pain between the upper abdomen and the lower chest. It is assumed that the impinging on the nerves between the ribs causes pain in the lower chest, upper abdomen, and flank. A 74-year-old female patient visited a pain clinic complaining of pain in her back, and left chest wall at a 7 on the 0-10 Numeric Rating scale (NRS). She had a lateral fixation at T12-L2, 6 years earlier. After the operation, she had multiple osteoporotic compression fractures. When the spine was bent, the patient complained about a sharp pain in the left mid-axillary line and radiating pain toward the abdomen. On physical examination, the $10^{th}$ rib was not felt, and an image of the rib-cage confirmed that the left $10^{th}$ rib was severed. When applying pressure from the legs to the $9^{th}$ rib of the patient, pain was reproduced. Therefore, the patient was diagnosed with $9^{th}$ rib syndrome, and ultrasound-guided $9^{th}$ and $10^{th}$ intercostal nerve blocks were performed around the tips of the severed $10^{th}$ rib. In addition, local anesthetics with triamcinolone were administered into the muscles beneath the $9^{th}$ rib at the point of the greatest tenderness. The patient's pain was reduced to NRS 2 point. In this case, it is suspected that the patient had a partial resection of the left $10^{th}$ rib in the past, and subsequent compression fractures at T8 and T9 led to the deformation of the rib cage, causing the tip of the remaining $10^{th}$ rib to impinge on the $9^{th}$ intercostal nerves, causing pain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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