Park, Jae-Guen;Lee, Kwang-Myong;Shin, Hyun-Mock;Park, Yoon-Je
Computers and Concrete
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v.4
no.2
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pp.119-134
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2007
External bonding of steel or FRP plates to reinforced concrete (RC) structures has been a popular method for strengthening RC structures; however, unexpected premature failure often occurs due to debonding between the concrete and the epoxy. We proposed a Coulomb criterion with a constant failure surface as the debonding failure criterion for the concrete-epoxy interface. Diagonal shear bonding tests were conducted to determine the debonding properties that were related to the failure criterion, such as the angle of internal friction and the coefficient of cohesion. In addition, an interface element that utilized the Coulomb criterion was implemented in a nonlinear finite element analysis program to simulate debonding failure behavior. Experimental studies and numerical analysies on RC beams strengthened by an externally bonded steel or FRP plate were used to determine the range of the coefficient of cohesion. The results that were presented prove that premature failure loads of strengthened RC beams can be predicted with using the bonding properties and the finite element program with including the proposed Coulomb criterion.
This paper develops a wireless sensor for online fatigue crack detection and failure warning based on crack-induced nonlinear ultrasonic modulation. The wireless sensor consists of packaged piezoelectric (PZT) module, an excitation/sensing module, a data acquisition/processing module, a wireless communication module, and a power supply module. The packaged PZT and the excitation/sensing module generate ultrasonic waves on a structure and capture the response. Based on nonlinear ultrasonic modulation created by a crack, the data acquisition/processing module periodically performs fatigue crack diagnosis and provides failure warning if a component failure is imminent. The outcomes are transmitted to a base through the wireless communication module where two-levels duty cycling media access control (MAC) is implemented. The uniqueness of the paper lies in that 1) the proposed wireless sensor is developed specifically for online fatigue crack detection and failure warning, 2) failure warning as well as crack diagnosis are provided based on crack-induced nonlinear ultrasonic modulation, 3) event-driven operation of the sensor, considering rare extreme events such as earthquakes, is made possible with a power minimization strategy, and 4) the applicability of the wireless sensor to steel welded members is examined through field and laboratory tests. A fatigue crack on a steel welded specimen was successfully detected when the overall width of the crack was around $30{\mu}m$, and a failure warnings were provided when about 97.6% of the remaining useful fatigue lives were reached. Four wireless sensors were deployed on Yeongjong Grand Bridge in Souht Korea. The wireless sensor consumed 282.95 J for 3 weeks, and the processed results on the sensor were transmitted up to 20 m with over 90% success rate.
A plasticity-based concrete model is proposed. The failure surface is elliptic in the ${\sigma}-{\tau}$ stress space. Independent hardening as well as softening is assumed in tension, compression, and shear. The nonlinear inelastic action initiates from the origin in the ${\sigma}-{\varepsilon}$(${\tau}-{\gamma}$) diagram. Several parameters are incorporated to control hardening/softening regions. The model is incorporated into a nonlinear finite element program along with other classical models. Several examples are solved and the results are compared with experimental data and other failure criteria. "Reasonable results" and stable solutions are obtained for different types of reinforced concrete oriented structures.
This study presents the reliability-based analysis of nonlinear structures using the analytical fragility curves excited by random earthquake loads. The stochastic method of ground motion simulation is combined with the random vibration theory to compute structural failure probability. The formulation of structural failure probability using random vibration theory, based on only the frequency information of the excitation, provides an important basis for structural analysis in places where there is a lack of sufficient recorded ground motions. The importance of frequency content of ground motions on probability of structural failure is studied for different levels of the nonlinear behavior of structures. The set of simulated ground motion for this study is based on the results of probabilistic seismic hazard analysis. It is demonstrated that the scenario events identified by the seismic risk differ from those obtained by the disaggregation of seismic hazard. The validity of the presented procedure is evaluated by Monte-Carlo simulation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.12
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pp.2915-2925
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1993
A finite element program using degenerated shell element was developed to solve the geometric, material and combined nonlinear behaviors of composite laminated plates. The total Lagrangian method was implemented for geometric nonlinear analysis. The material nonlinear behavior was analyzed by considering the matrix degradation due to the progressive failure in the matrix and matrix-fiber interface after initial failure. The results of the geometric nonlinear analyses showed good agreements with the other exact and numerical solutions. The results of the combined nonlinear analyses considered both geometric and material nonlinear behaviors were compared to the experiments in which a concentrated force was applied to the center of the square laminated plate with clamped four edges.
In this paper, stabilities of a plane slide rock slope under different hydraulic distributions were studied based on the nonlinear Barton-Bandis (B-B) failure criterion. The influence of various parameters on the stability of rock slopes was analyzed. Parametric analysis indicated that studying the factor of safety (FS) of planar slide rock slopes using the B-B failure criterion is both simple and effective and that the effects of the basic friction angle of the joint (${\varphi}_b$), the joint roughness coefficient (JRC), and the joint compressive strength (JCS) on the FS of a planar slide rock slope are significant. Qualitatively, the influence of the JCS on the FS of a slope is small, whereas the influences of the ${\varphi}_b$ and the JRC are significant. The FS of the rock slope decreases as the water in a tension crack becomes deeper. This trend is more significant when the flow outlet is blocked, a situation that is particularly prevalent in regions with permafrost or seasonal frozen soil. Finally, the work is extended to study the reliability of the slope against plane failure according to the uncertainty from physical and mechanics parameters.
In this paper, a procedure to develop fragility curves of structures equipped with semi-active tuned mass dampers (SATMDs) considering multiple failure criteria has been presented while accounting for the uncertainties of the input excitation, structure and control device parameters. In this procedure, Latin hypercube sampling (LHS) method has been employed to generate 30 random SATMD-structure systems and nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) has been conducted under 20 earthquakes to determine the structural responses, where failure probabilities in each intensity level have been evaluated using Monte Carlo simulation (MCS) method. For numerical analysis, an eight-story nonlinear shear building frame with bilinear hysteresis material behavior has been used. Fragility curves for the structure equipped with optimal SATMDs have been developed considering single and multiple failure criteria for different performance levels and compared with that of uncontrolled structure as well as structure controlled using passive tuned mass damper (TMD). Numerical analysis has shown the capability of SATMDs in significant enhancement of the seismic fragility of the nonlinear structure. Also, considering multiple failure criteria has led to increasing the fragility of the structure. Moreover, it is observed that the influence of the uncertainty of input excitation with respect to the other uncertainties is considerable.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.6
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pp.1-10
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2013
Probabilistic nonlinear first ply failure loads of flat composite panels and nonlinear buckling loads of curved composite panels with cutouts are estimated to provide the more reliable main load carrying structure in the renewable energy industry and offshore structures. The response surface method approximates limit state surface to a second order polynomial form of random variables with the results of deterministic finite element analyses at given sampling design points. Furthermore, the iterative linear interpolation scheme is used to obtain a more accurate approximation of the limit state surface near the most probable failure point (MPFP). The advanced first order second moment method and the Monte Carlo method are performed on an approximated limit state surface to evaluate the probability of failure. Finally, the sensitivity of the reliability index with respect to transformed random variables is investigated to figure out the main random variables that have an effect on failures.
Mohammad Mahmoudi;Abbas Ghasemi;Shahriar Tavousi Tafreshi
Structural Engineering and Mechanics
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v.91
no.5
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pp.469-486
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2024
Electric transformers are major components of electrical systems, and damage to them caused by earthquakes can result in significant financial loss. The current study modeled a three-dimensional (3D) isolated electrical transformer under horizontal and vertical records from different earthquakes. Instead of using fixed coefficients, an improved wavelet method has been used to create the greatest compatibility between the response spectra and the target spectrum. This method has primarily been used for dynamic analysis of isolated structures with spring-damper devices because it has shown greater accuracy in predicting the response of such structures. The effect of the nonlinear soil-structure interaction on the probability of transformer failure also has been investigated. Soil and structure interaction modeling was carried out using a beam on a nonlinear Winkler foundation. The effect of the nonlinear soil-structure interaction during dynamic analysis of transformers revealed that the greatest increase in the probability of transformer failure was in the fixed-base condition when the structure was located on soft soil. This intensified the response of the structure and increased the probability of transformer failure by up to 27% for far-field and up to 95% for near-field ground motions. A comparison of the results indicates that the use of 3D isolation systems in transformers in areas with soft clay that are subject to near-field ground motions can strongly reduce the probability of failure and improve the seismic performance of the transformer.
A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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