Ice accretions on stay cables may result in the instable vibration of galloping, which would affect the safety of cable-stayed bridges. A large number of studies have investigated the galloping vibrations of transmission lines. However, the obtained aerodynamics in transmission lines cannot be directly applied to the stay cables on cable-stayed bridges. In this study, linear and nonlinear single degree-of-freedom models were introduced to obtain the critical galloping wind velocity of iced stay cables where the aerodynamic lift and drag coefficients were identified in the wind tunnel tests. Specifically, six ice shapes were discussed using section models with geometric scale 1:1. The results presented obvious sudden decrease regions of the aerodynamic lift coefficient for all six test models. Numerical analyses of iced stay cables associated to a medium-span cable-stayed bridge were carried out to evaluate the potential galloping instability. The obtained nonlinear critical wind velocity for a 243-meter-long stay cable is much lower than the design wind velocity. The calculated linear critical wind velocity is even lower. In addition, numerical analyses demonstrated that increasing structural damping could effectively mitigate the galloping vibrations of iced stay cables.
The effect of a reactant ratio on the growth of a buoyancy-driven instability in an irreversible A+B→C reaction system is analyzed theoretically and numerically. Taking a non-stoichiometric reactant ratio into account, new linear stability equations are derived without the quasi-steady state assumption (QSSA) and solved analytically. It is found that the main parameters to explain the present system are the Damköhler number, the dimensionless density difference of chemical species and the ratio of reactants. The present initial grow rate analysis without QSSA shows that the system is initially unconditionally stable regardless of the parameter values; however, the previous initial growth rate analysis based on the QSSA predicted the system is unstable if the system is physically unstable. For time evolving cases, the present growth rates obtained from the spectral analysis and pseudo-spectral method support each other, but quite differently from that obtained under the conventional QSSA. Adopting the result of the linear stability analysis as an initial condition, fully nonlinear direct numerical simulations are conducted. Both the linear analysis and the nonlinear simulation show that the reactant ratio plays an important role in the onset and the growth of the instability motion.
A novel flexibility-based beam-foundation model for inelastic analyses of beams resting on foundation is presented in this paper. To model the deformability of supporting foundation media, the Winkler-Pasternak foundation model is adopted. Following the derivation of basic equations of the problem (strong form), the flexibility-based finite beam-foundation element (weak form) is formulated within the framework of the matrix virtual force principle. Through equilibrated force shape functions, the internal force fields are related to the element force degrees of freedom. Tonti's diagrams are adopted to present both strong and weak forms of the problem. Three numerical simulations are employed to assess validity and to show effectiveness of the proposed flexibility-based beam-foundation model. The first two simulations focus on elastic beam-foundation systems while the last simulation emphasizes on an inelastic beam-foundation system. The influences of the adopted foundation model to represent the underlying foundation medium are also discussed.
Iman Hakamian;Kianoosh Taghikhani;Navid Manouchehri;Mohammad Mahdi Memarpour
Earthquakes and Structures
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v.25
no.2
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pp.99-112
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2023
This paper investigates the influences of Soil-Structure Interaction (SSI) on the seismic behavior of two-dimensional reinforced concrete moment-resisting frames subjected to Far-Field Ground Motion (FFGM) and Near-Field Ground Motion (NFGM). For this purpose, the nonlinear modeling of 7, 10, and 15-story reinforced concrete moment resisting frames were developed in Open Systems for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) software. Effects of SSI were studied by simulating Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) and the soil type as homogenous medium-dense. Generally, the building resistance to seismic loads can be explained in terms of Incremental Dynamic Analysis (IDA); therefore, IDA curves are presented in this study. For comparison, the fragility evaluation is subjected to NFGM and FFGM as proposed by Quantification of Building Seismic Performance Factors (FEMA P-695). The seismic performance of Reinforced Concrete (RC) buildings with fixed and flexible foundations was evaluated to assess the probability of collapse. The results of this paper demonstrate that SSI and NFGM have significantly influenced the probability of failure of the RC frames. In particular, the flexible-base RC buildings experience higher Spectral acceleration (Sa) compared to the fixed-base ones subjected to FFGM and NFGM.
Cantilever retaining wall movements generally depend on the intensity and duration of ground motion, the response of the soil underlying the wall, the response of the backfill, the structural rigidity, and soil-structure interaction (SSI). This paper investigates the effect of material properties on seismic response of backfill-cantilever retaining wall-soil/foundation interaction system considering SSI. The material properties varied include the modulus of elasticity, Poisson's ratio, and mass density of the wall material. A series of nonlinear time history analyses with variation of material properties of the cantilever retaining wall are carried out by using the suggested finite element model (FEM). The backfill and foundation soil are modelled as an elastoplastic medium obeying the Drucker-Prager yield criterion, and the backfill-wall interface behavior is taken into consideration by using interface elements between the wall and soil to allow for de-bonding. The viscous boundary model is used in three dimensions to consider radiational effect of the seismic waves through the soil medium. In the seismic analyses, North-South component of the ground motion recorded during August 17, 1999 Kocaeli Earthquake in Yarimca station is used. Dynamic equations of motions are solved by using Newmark's direct step-by-step integration method. The response quantities incorporate the lateral displacements of the wall relative to the moving base and the stresses in the wall in all directions. The results show that while the modulus of elasticity has a considerable effect on seismic behavior of cantilever retaining wall, the Poisson's ratio and mass density of the wall material have negligible effects on seismic response.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1992.04a
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pp.58-64
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1992
It is usual that underground structures are constructed within multi-layered medium. In this paper, an efficient numerical model ling of multi-layered structural systems is studied using coupled analysis of finite elements and boundary elements. The finite elements are applied to the area in which the material nonlinearity is dominated, and the boundary elements are applied to the far field area where the nonlinearity is relatively weak. In the boundary element model 1 ins of the multi-layered medium, fundamental solutions are restricted. Thus, methods which can utilize existing Kelvin and Melan solution are sought for the interior multi-layered domain problem and semi infinite domain problem. Interior domain problem which has piecewise homogeneous layers is analyzed using boundary elements with Kelvin solution; by discretizing each homogeneous subregion and applying compatibility and equilibrium conditions between interfaces. Semi-infinite domain problem is analyzed using boundary elements with Melan solution, by superposing unit stiffness matrices which are obtained for each layer by enemy method. Each methodology is verified by comparing its results which the results from the finite element analysis and it is concluded that coupled analysis using boundary elements and finite elements can be reasonable and efficient if the superposition technique is applied for the multi-layered semi-infinite domain problems.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.05a
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pp.53-58
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2003
Many researchers have rigorously studied the nonlinear behavior of stress-strain relationship of concrete using mathematical curves. Most of model equations for stress-strain relationship, however, have been focused on old age concrete, and were not able to adequately represent the behavior of concrete at an early age. A wide understanding on the behavior of concrete from early age to old age is very important in evaluating the durability and service life of concrete structures. In previous study by authors of this paper, a stress-strain model equation for low- and medium-strength concretes was suggested. In this paper, to extend the application region of compressive stress-strain curve to high-strength concrete, an analytical research was performed. An analytical expression of stress-strain curve with strength and age was developed using regression analyses on the experimental results. For the verification of the proposed model equation, it was compared to the experimental data. The result showed that the proposed model equation was not only compatible with the experimental data quite satisfactorily but also describing well the effect of strength and age on stress-strain curve.
Pour, H. Rahimi;Arani, A. Ghorbanpour;Sheikhzadeh, G.A.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.6
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pp.691-714
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2017
Rotating fluid induced vibration and instability of embedded piezoelectric nano-composite separators subjected to magnetic and electric fields is the main contribution of present work. The separator is modeled with cylindrical shell element and the structural damping effects are considered by Kelvin-Voigt model. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are used as reinforcement and effective material properties are obtained by mixture rule. The perturbation velocity potential in conjunction with the linearized Bernoulli formula is used for describing the rotating fluid motion. The orthotropic surrounding elastic medium is considered by spring, damper and shear constants. The governing equations are derived on the bases of classical shell theory (CST), first order shear deformation theory (FSDT) and sinusoidal shear deformation theory (SSDT). The nonlinear frequency and critical angular fluid velocity are calculated by differential quadrature method (DQM). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the external voltage, magnetic field, visco-Pasternak foundation, structural damping and volume percent of SWCNTs on the stability of structure. The numerical results are validated with other published works as well as comparing results obtained by three theories. Numerical results indicate that with increasing volume fraction of SWCNTs, the frequency and critical angular fluid velocity are increased.
In order to explore the cosmic ray acceleration at the cosmological shocks, we have performed numerical simulations of one-dimensional, plane-parallel, cosmic ray (CR) modified shocks with the newly developed CRASH (Cosmic Ray Amr SHock) numerical code. Based on the hypothesis that strong Alfven waves are self-generated by streaming CRs, the Bohm diffusion model for CRs is adopted. The code includes a plasma-physics-based 'injection' model that transfers a small proportion of the thermal proton flux through the shock into low energy CRs for acceleration there. We found that, for strong accretion shocks with Mach numbers greater than 10, CRs can absorb most of shock kinetic energy and the accretion shock speed is reduced up to $20\%$, compared to pure gas dynamic shocks. Although the amount of kinetic energy passed through accretion shocks is small, since they propagate into the low density intergalactic medium, they might possibly provide acceleration sites for ultra-high energy cosmic rays of $E\ll10^{18}eV$. For internal/merger shocks with Mach numbers less than 3, however, the energy transfer to CRs is only about $10-20\%$ and so nonlinear feedback due to the CR pressure is insignificant. Considering that intracluster medium (ICM) can be shocked repeatedly, however, the CRs generated by these weak shocks could be sufficient to explain the observed non-thermal signatures from clusters of galaxies.
Optimal design of raft-pile foundations is examined by combining finite element technique and the optimization approach. The piles and soil medium are modeled by three dimensional solid elements while the raft is modelled by shell elements. Drucker-Prager criterion is adopted for the soil medium while the raft and the piles are assumed to be linear elastic. For the optimization process, the approximate semi-analytical method is used for calculating constraint sensitivities and a constraint approximation method which is a combination of the extended Bi-point approximation and Lagrangian polynomial approximation is used for predicting the behaviour of the constraints. The objective function of the problem is the volume of materials of the foundation while the design variables are raft thickness, pile length and pile spacing. The generalized reduced gradient algorithm is chosen for solving the optimization process. It is demonstrated that the method proposed in this study is promising for obtaining optimal design of raft-pile foundations without carrying out a large number of analyses. The results are also compared with those obtained from the previous study in which linear analysis was carried out.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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