By presetting various reinforcement diameters in topology optimization with the discrete model finite element analysis, an algorithm of bidirectional evolutionary structural optimization of multi-level reinforcement diameter is presented to obtain the optimal reinforcement topologies which describe the degree of stress of different parts. The results of a comparative study on different reinforcement feasible domain demonstrate that the more angle types of reinforcement are arranged in the initial domain, the higher utilization rate of reinforcement of the optimal topology becomes. According to the nonlinear finite element analysis of some deep beam examples, the ones designed with the optimization results have a certain advantage in ultimate bearing capacity, although their failure modes are greatly affected by the reinforcement feasible domain. Furthermore, the bearing capacity can be improved when constructional reinforcements are added in the subsequent design. However the adding would change the relative magnitude of the bearing capacity between the normal and inclined section, or the relative magnitude between the flexural and shear capacity within the inclined section, which affects the failure modes of components. Meanwhile, the adding would reduce the deformation capacity of the components as well. It is suggested that the inclined reinforcement and the constructional reinforcement should be added properly to ensure a desired ductile failure mode for components.
Mostefa Sekkak;Rachid Zerrouki;Mohamed Zidour;Abdelouahed Tounsi;Mohamed Bourada;Mahmoud M Selim;Hosam A. Saad
Advances in nano research
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v.16
no.5
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pp.509-519
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2024
In this study, the static analysis of carbon nanotube-reinforced composites (CNTRC) beams resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation is presented. The developed theories account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. To study the effect of carbon nanotubes distribution in functionally graded (FG-CNT), we introduce in the equation of CNT volume fraction a new exponent equation. The SWCNTs are assumed to be aligned and distributed in the polymeric matrix with different patterns of reinforcement. The rule of mixture is used to describe the material properties of the CNTRC beams. The governing equations were derived by employing Hamilton's principle. The models presented in this work are numerically provided to verify the accuracy of the present theory. The analytical solutions are presented, and the obtained results are compared with the existing solutions to verify the validity of the developed theories. Many parameters are investigated, such as the Pasternak shear modulus parameter, the Winkler modulus parameter, the volume fraction, and the order of the exponent in the volume fraction equation. New results obtained from bending and stresses are presented and discussed in detail. From the obtained results, it became clear the influence of the exponential CNTs distribution and Winkler-Pasternak model improved the mechanical properties of the CNTRC beams.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.1
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pp.158-166
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2008
Member force, strain and stress distribution of a section are obtained for prestressed steel and concrete(PSSC) composite bridge subjected to dead and live load in order to interpret the effect of prestressing and deformation of tendon. The stress and strain distribution and moment capacity are obtained for both noncomposite and composite section and for allowable stress limit state, yield limit state and strength limit state. Reliability analysis is conducted after assuming limit states for deflection, stress and flexural strength. Comparing that the reliability index for stress is near 0 for example section which is designed to satisfy the allowable stress exactly, the reliability indexes for deflection and flexural strength are high. Reliability of PSSC girder which is designed based on allowable stress of bridge design code is high for deflection and flexural strength.
This paper discusses the study of concrete composite walls of algorithmic modeling, in which steel tubes are embedded. The load-bearing capacity of STHC composite walls increases with the increase of axial load coefficient, but its ductility decreases. The load-bearing capacity can be improved by increasing the strength of the steel pipes; however, the elasticity of STHC composite walls was found to be slightly reduced. As the shear stress coefficient increases, the load-bearing capacity of STHC composite walls decreases significantly, while the deformation resistance increases. By analyzing actual cases, we demonstrate the effectiveness of the research results in real situations and enhance the persuasiveness of the conclusions. The research results can provide a basis for future research, inspire more explorations on seismic design and construction, and further advance the development of this field. Emphasize the importance of research results, promote interdisciplinary cooperation in the fields of structural engineering, earthquake engineering, and materials science, and improve overall seismic resistance. The emphasis on these aspects will help highlight the practical impact of the research results, further strengthen the conclusions, and promote progress in the design and construction of earthquake-resistant structures. The goals of this work are access to adequate, safe and affordable housing and basic services, promotion of inclusive and sustainable urbanization and participation, implementation of sustainable and disaster-resilient architecture, sustainable planning and management of human settlements. Simulation results of linear and nonlinear structures show that this method can detect structural parameters and their changes due to damage and unknown disturbances. Therefore, it is believed that with the further development of fuzzy neural network artificial intelligence theory, this goal will be achieved in the near future.
This paper deals with the effect of non-linear volume fraction distribution of carbon nanotube in the FG-CNTRC beams on the critical buckling via a hyperbolic shear deformation theory. Here, different boundary condition was considered including hinged hinged, clamped clamped and clamped-free. Single-walled carbon nanotubes are aligned and distributed in the polymer matrix in different ways to reinforce it and the material properties of (CNTRC) beams are assumed to vary gradually along the thickness direction, following a new exponential power law distribution of (CNT). The effective material properties of nanocomposite beams are estimated using the rule of mixture. The governing equations of the mathematical models are obtained by applying Hamilton's principle. The results provided of mathematical models in this work are compared and validated with similar ones in the literature. The critical buckling loads of nanocomposite beams with different boundary conditions of linear and non-linear distribution of CNT volume fraction were obtained. The effects of several parameters, including the type of beam, the volume fraction of carbon nanotubes (CNTs), the exponent degree (n), and the aspect ratio, were investigated. The distribution non-linearity of CNT volume fraction in the beam has a significant impact on the mechanical properties, particularly in buckling behavior with different boundary conditions.
The main objective of this paper is to evaluate the ductility and strength factors that are key components of the response modification factor for special steel moment-resistant frames. The ductility factors for special steel moment-resistant frames were calculated by multiplying the ductility factor for SDOF systems and the MDOF modification factors. Ductility factors were computed for elastic and perfectly plastic SDOF systems undergoing different levels of inelastic deformation and periods when subjected to a large number of recorded earthquake ground motions. Based on the results of the regression analysis, simplified expressions were proposed to compute the ductility factors. Based on previous studies, the MDOF modification factors were also proposed to account for the MDOF systems. Strength factors for special steel moment resisting frames were estimated from the results of the nonlinear static analysis. A total of 36 sample steel frames were designed to investigate the ductility and strength factors considering design parameters such as number of stories (4, 8, and 16 stories), seismic zone factors (Z = 0.075, 0.2, and 0.4), framing system (Perimeter Frames, PF and Distributed Frames, DF), and failure mechanism (Strong-Column Weak Beam, SCWB, and Weak-Column Strong-Beam, WCSB). The effects of these design parameters on the ductility and strength factors for special steel moment-resisting frames were investigated.
Ha, Kwang-Hyun;Lee, Sang-Eun;Chung, Sung-Rae;Chun, Byung-Sik
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.13
no.1
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pp.13-23
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2008
The triaxial compression tests and consolidation tests using NaCl solution and leachates as substitute pore (or saturated) water in samples were carried out to find out the behavior characteristics of strength, deformation and permeability coefficient of contaminated clay. Also, the chemical property analysis on the clay samples using scanning electron microscope and energy dispersive x-ray spectrometer were involved. The magnitudes of composition ratio were shown in the order of O, C, Si, Al, and Fe as a result of chemical composition analysis for clay samples. Besides, as the results of triaxial compression tests and consolidation tests, the shear strength, compression and permeability properties were increased with increasing in the concentration of contaminant (NaCl). It may be considered that these circumstances be caused by the changes of soil structure to flocculent structure due to the decrease in the thickness of diffuse double layer with increasing in the concentration of electrolyte. MT3D model was also using to grasp the procedures that the groundwater may be contaminated by the leachates permeated through the clay liner. The results of contaminant transport analysis showed a tendency that the predicted concentration of groundwater was higher with increasing in the initial concentration of $Cl^-$ ion and increased as a nonlinear curves with time. The transportation distance calculated by the use of regression equation between the distance from contaminant source and the concentration of $Cl^-$ ion was increased with increasing the initial concentration.
Akhaveissy, A.H.;Desai, C.S.;Mostofinejad, D.;Vafai, A.
Computers and Concrete
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v.11
no.2
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pp.123-148
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2013
The nonlinear finite element method with eight noded isoparametric quadrilateral element for concrete and two noded element for reinforcement is used for the prediction of the behavior of reinforcement concrete structures. The disturbed state concept (DSC) including the hierarchical single surface (HISS) plasticity model with associated flow rule with modifications is used to characterize the constitutive behavior of concrete both in compression and in tension which is named DSC/HISS-CT. The HISS model is applied to shows the plastic behavior of concrete, and DSC for microcracking, fracture and softening simulations of concrete. It should be noted that the DSC expresses the behavior of a material element as a mixture of two interacting components and can include both softening and stiffening, while the classical damage approach assumes that cracks (damage) induced in a material treated acts as a void, with no strength. The DSC/HISS-CT is a unified model with different mechanism, which expresses the observed behavior in terms of interacting behavior of components; thus the mechanism in the DSC is much different than that of the damage model, which is based on physical cracks which has no strength and interaction with the undamaged part. This is the first time the DSC/HISS-CT model, with the capacity to account for both compression and tension yields, is applied for concrete materials. The DSC model allows also for the characterization of non-associative behavior through the use of disturbance. Elastic perfectly plastic behavior is assumed for modeling of steel reinforcement. The DSC model is validated at two levels: (1) specimen and (2) practical boundary value problem. For the specimen level, the predictions are obtained by the integration of the incremental constitutive relations. The FE procedure with DSC/HISS-CT model is used to obtain predictions for practical boundary value problems. Based on the comparisons between DSC/HISS-CT predictions, test data and ANSYS software predictions, it is found that the model provides highly satisfactory predictions. The model allows computation of microcracking during deformation leading to the fracture and failure; in the model, the critical disturbance, Dc, identifies fracture and failure.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.2
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pp.377-387
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2014
This study mainly treats a new type of the bracing friction damper system, which is able to minimize structural damage under earthquake loads. The slotted bolt holes are placed on the shear faying surfaces with an intention to dissipate considerable amount of friction energy. The superelastic shape memory alloy (SMA) wire strands are installed crossly between two plates for the purpose of enhancing recentering force that are able to reduce permanent deformation occurring at the friction damper system. The smart recentering friction damper system proposed in this study can be expected to reduce repair cost as compared to the conventional damper system because the proposed system mitigates the inter-story drift of the entire frame structure. The response mechanism of the proposed damper system is firstly investigated in this study, and then numerical analyses are performed on the component spring models calibrated to the experimental results. Based on the numerical analysis results, the seismic performance of the recentering friction damper system with respect to recentering capability and energy dissipation are investigated before suggesting optimal design methodology. Finally, nonlinear dynamic analyses are conducted by using the frame models designed with the proposed damper systems so as to verify superior performance to the existing damper systems.
Microstructure and the electrical porperties of a ZnO-based multilayered chip-type varistor(abbreviated as MLV) with Ag/Pd(7:3) inner electrode have been studied as a function of firing of temperature. At 1100$^{\circ}$C, inner electrode layers began to show nonuniform thickness and small voids, which resulted in significant disappearance of the electrode pattern and delamination at 1100$^{\circ}$C. MLVs fired at 950$^{\circ}$C showed large degradation in leakage current, probably due to incomplete redistribution of liquid and transition metal elements in pyrochlore phase decomposition. Those fired at 1100$^{\circ}$C and above, on the other hand, revealed poor varistor characteristics and their reproductibility, which are though to stem from the deformation of inner electrode pattern, the reaction between electrode materials and ZnO-based ceramics, and the volatilization of $Bi_2O_3$. Throughout the firing temperature range of 950∼1100$^{\circ}$C, capacitance and leakage current increased while breakdown voltage and peak current decreased with the increase of firing temperature, but nonlinear coefficient and clamping ratio kept almost constant at ∼30 and 1.4, respectively. In particular, those fired between 1000$^{\circ}$C and 1050$^{\circ}$C showed stable varistor characteristics with high reproducibility. It seems that Ag/Pd(7:3) alloy is one of the electrode materials applicable to most ZnO-based MLVs incorporating with $Bi_2O_3$ when cofired up to 1050$^{\circ}$C.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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