Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.10a
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pp.81-88
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2000
The elastic wave equation is solved using the finite-difference method in 3D space to simulate the seismic wave propagation. It is based on the velocity-stress formulation of the equation of motion on a staggered grid. The nonreflecting boundary conditions are used to attenuate the wave field close to the numerical boundary. To satisfy the stress-free conditions at the free-surface boundary, a new formulation combining the zero-stress formalism with the vacuum one is applied. The effective media parameters are employed to satisfy the traction continuity condition across the media interface. With use of the moment-tensor components, the wide range of source mechanism parameters can be specified. The numerical experiments are carried out in order to test the applicability and accuracy of this scheme and to understand the fundamental features of the wave propagation under the generalized elastic media structure. Computational results show that the scheme is sufficiently accurate for modeling wave propagation in 3D elastic media and generates all the possible phases appropriately in under the given heterogeneous velocity structure. Also the characteristics of the ground motion in an sedimentary basin such as the amplification, trapping, and focusing of the elastic wave energy are well represented. These results demonstrate the use of this simulation method will be helpful for modeling the ground motion of seismological and engineering purpose like earthquake hazard assessment, seismic design, city planning, and etc..
The paper presents a review of the application of the newly proposed mixed finite element model for seismic simulation of different types of composite frame structures. To evaluate the performance of the element, a comparison with displacement-based and force-based models is conducted. The study revealed that the mixed model is superior to the others in terms of both speed of convergence and numerical stability, and is therefore considered the most practical approach for modeling of composite structures. In this model, the element is derived using independent force and displacement shape functions. The nonlinear response of the frame element is based on the section discretization into fibers with uniaxial material models. The interfacial behavior is modeled using an inelastic interface element. Numerical examples to clarify the advantages of the model are presented for the following structural applications: anchored reinforcing bar problems, composite steel-concrete girders with deformable shear connectors, beam on elastic foundation elements, R/C girders strengthened with FRP sheets, R/C beam-columns with bond-slip, and prestressed concrete girders. These studies confirmed that the model represents a major advancement over existing elements in simulating the inelastic behavior of composite structures.
Godaymi, Wa'il A.;Mohammed, Abdul-Kareem Abd Ali;Ahmed, Zeki A.
Journal of electromagnetic engineering and science
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v.12
no.4
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pp.260-270
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2012
This work aims to present a theoretical analysis of the electric and magnetic surface current densities of a circular microstrip antenna (CMSA) as a body of revolution. The rigorous analysis of these problems begins with the application of the equivalence principle, which introduces an unknown electric current density on the conducting surface and both unknown equivalent electric and magnetic surface current densities on the dielectric surface. These current densities satisfy the integral equations (IEs) obtained by canceling the tangential components of the electric field on the conducting surface and enforcing the continuity of the tangential components of the fields across the dielectric surface. The formulation of the radiation problems is based on the combined field integral equation. This formulation is coupled with the method of moments (MoMs) as a numerical solution for this equation. The numerical results of the electric and magnetic surface current densities on the outside boundary of a CMSA excited by $TM_{11^-}$ and $TM_{21^-}$ modes are presented. The radiation pattern is calculated numerically in the two principle planes for a CMSA and gives a good results compared with measured results published by other research workers.
Kim, Yoon-Young;Kim, Jung-Soo;Kang, Yeon-June;Lee, Joong-Seok
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.11a
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pp.934-937
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2006
This investigation presents a topology formulation to design optimal poroelastic acoustic foams to maximize absorbing ability. For successful formulation, a single set of equations based on Biot's theory is adopted and an appropriate material interpolation strategy is newly developed. Because there was no earlier attempt to solve poroelastic acoustic foam design problems in topology optimization setting, many challenging issues including modeling and interpolation must be addressed. First, the simulation accuracy by a proposed unified model encompassing acoustic air and poroelastic material was checked against analytical and numerical results. Then a material interpolation scheme yielding a distinct acoustic air-poroelastic material distribution was developed. Using the proposed model and interpolation scheme, the topology optimization of a two-dimensional poroelastic acoustic foam for maximizing its absorption coefficient was carried out. Numerical results show that the absorption capacity of an optimized foam layout considerably increases in comparison with a nominal foam layout.
A vorticity-based method for the numerical solution of the two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations is presented. The governing equations for vorticity, velocity and pressure variables are expressed in an integro-differential form. The global coupling between the vorticity and the pressure boundary conditions is fully considered in an iterative procedure when numerical schemes are employed. The finite volume method of the second order TVD scheme is implemented to integrate the vorticity transport equation with the dynamic vorticity boundary condition. The velocity field is obtained by using the Biot-Savart integral. The Green's scalar identity is used to solve the total pressure in an integral approach similar to the surface panel methods which have been well established for potential flow analysis. The present formulation is validated by comparison with data from the literature for the two-dimensional cavity flow driven by shear in a square cavity. We take two types of the cavity now: (ⅰ) driven by non-uniform shear on top lid and body forces for which the exact solution exists, and (ⅱ) driven only by uniform shear (of the classical type).
This paper addresses the free and transient responses of a SDOF linear complex stiffness system by making use of the Hilbert transform and the convolution integral. Because the second-order differential equation of motion having the complex stiffness give rise to the conjugate complex eigen values, its time-domain analysis using the standard time integration scheme suffers from the numerical instability and divergence. In order to overcome this problem, the transient response of the linear complex stiffness system is obtained by the convolution integral of a green function which corresponds to the unit-impulse free vibration response of the complex system. The damped free vibration of the complex system is theoretically derived by making use of the state-space formulation and the Hilbert transform. The convolution integral is implemented by piecewise-linearly interpolating the external force and by superimposing the transient responses of discretized piecewise impulse forces. The numerical experiments are carried out to verify the proposed time-domain analysis method, and the correlation between the real and imaginary parts in the free and transient responses is also investigated.
Kim Gyo-Soon;Choi Yun-Ho;Rhee Byung-Ohk;Song Bong-Ha
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.4
s.247
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pp.320-327
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2006
The computations of chemically reacting laminar and turbulent flows are performed using the preconditioned Navier-Stokes solver coupled with turbulent transport and multi-species equations. A low-Reynolds number $k-\varepsilon$ turbulence model proposed by Chien is used. The presence of the turbulent kinetic energy tenn in the momentum equation can materially affect the overall stability of the fluids-turbulence system. Because of this coupling effect, a fully coupled formulation is desirable and this approach is taken in the present study. Choi and Merkle's preconditioning technique is used to overcome the convergence difficulties occurred at low speed flows. The numerical scheme used for the present study is based on the implicit upwind ADI algorithm and is validated through the comparisons of computational and experimental results for laminar methane-air diffusion flame and $ H_2/O_2$ reacting turbulent shear flow. Preconditioning formulation shows better convergence characteristics than that of non-preconditioned system by approximately five times as much.
The objective of this paper is setting out, for a cable-stayed bridge with a curtain suspension, a method to determine the modes of vibration of the structure. The system of differential equations governing the vibrations of the bridge, derived by means of a variational formulation in a nonlinear field, is reported in Appendix C. The whole analysis results from the application of Hamilton's principle, using the expressions of potential and kinetic energies and of the virtual work made by viscous damping forces of the various parts of the bridge (Monaco and Fiore 2003). This paper focuses on the equation concerning the transversal motion of the girder of the cable-stayed bridge and in particular on its final form obtained, restrictedly to the linear case, neglecting some quantities affecting the solution in a non-remarkable way. In the hypotheses of normal mode of vibration and of steady-state, we propose the resolution of this equation by a particular method based on a numerical approach. Respecting the boundary conditions, we derive, for each mode of vibration, the corresponding frequency, both natural and damped, the shape-function of the girder axis and the exponential function governing the variability of motion amplitude in time. Finally the results so obtained are compared with those deriving from the dynamic analysis performed by a finite elements calculation program.
The static analysis of structures with arbitrary cross-section geometry and material lamination via a refined one-dimensional (1D) approach is presented in this paper. Higher-order 1D models with a variable order of expansion for the displacement field are developed on the basis of Carrera Unified Formulation (CUF). Classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are obtained as particular cases of the first-order model. Numerical results of displacement, strain and stress are provided by using the finite element method (FEM) along the longitudinal direction for different configurations in excellent agreement with three-dimensional (3D) finite element solutions. In particular, a layered thin-walled cylinder is considered as first assessment with a laminated conventional cross-section. An atherosclerotic plaque is introduced as a typical structure with arbitrary cross-section geometry and studied for both the homogeneous and nonhomogeneous material cases through the 1D variable kinematic models. The analyses highlight limitations of classical beam theories and the importance of higher-order terms in accurately detecting in-plane cross-section deformation without introducing additional numerical problems. Comparisons with 3D finite element solutions prove that 1D CUF provides remarkable three-dimensional accuracy in the analysis of even short and nonhomogeneous structures with arbitrary geometry through a significant reduction in computational cost.
Caprili, Silvia;Mattei, Francesca;Gigliotti, Rosario;Salvatore, Walter
Earthquakes and Structures
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v.14
no.3
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pp.187-201
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2018
The paper describes a modified cyclic bar model including bond-slip phenomena between steel reinforcing bars and surrounding concrete. The model is focused on plain bar and is useful, for its simplicity, for the seismic analyses of RC structures with plain bars and insufficient constructive details, such as in the case of '60s -'70s Mediterranean buildings. The model is based on an imposed exponential displacements field along the bar including both steel deformation and slip; through the adoption of equilibrium and compatibility equations a stress-slip law can be deducted and simply applied, with opportune operations, to RC numerical models. This study aims to update and complete the original monotonic model published by the authors, solving some numerical inconsistencies and, mostly, introducing the cyclic formulation. The first aim is achieved replacing the imposed linear displacement field along the bar with an exponential too, while the cyclic behaviour is described through a formulation based on the results of parametric analyses concerning a large range of steel and concrete properties and geometric configurations. Validations of the proposed model with experimental results available in the current literature confirm its accuracy and the reduced computational burden, highlighting its suitability in performing nonlinear analyses of RC structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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