This paper presents theoretical solutions for the three-dimensional (3D) stress field in an infinite isotropic elastic plate containing a through-the-thickness circular hole subjected to far-field in-plane loads by using Kane and Mindlin's assumption. The dangerous position, where the premature fracture or failure of the plate will take place, the expressions of the tangential stress at the surface of the hole and the out-of-plane stress constraint factor are found in a concise, explicit form. Based on the present theoretical solutions, a comprehensive analysis is performed on the deviated degree of the in-plane stresses from the related plane stress solutions, stress concentration and out-of-plane constraint, and the emphasis has been placed on the effects of the plate thickness, Poisson's ratio and the far-field in-plane loads on the stress field. The analytical solution shows that the effects of the plate thickness and Poisson's ratio on the deviation of the 3D in-plane stress components is obvious and could not be ignored, although their effects on distributions of the in-plane stress components are slight, and that the effect of the far-field in-plane loads is just on the contrary of that of the above two. When only the shear stress is loaded at far field, the stress concentration factor reach its peak value about 8.9% higher than that of the plane stress solutions, and the out-of-plane stress constraint factor can reach 1 at the surface of the hole and is the biggest among all cases considered.
Infill masonry walls are vulnerable to lateral loads, including seismic, wind, and concentrated push loads. Various strengthening metal fittings have been proposed to improve lateral load resistance, particularly against seismic loads. This study introduces the use of post-compressed wedges as a novel reinforcement method for infill masonry walls to enhance lateral load resistance. The resistance of the infill masonry wall against lateral-concentrated push loads was assessed using an out-of-plane push-over test on specimens sized 2,300×2,410×190 mm3. The presence or absence of wedges and wedge spacing were set as variables. The push-over test results showed that both the unreinforced specimen and the specimen reinforced with 300 mm spaced wedges toppled, while the specimen reinforced with 100 mm spaced wedges remained upright. Peak loads were measured to be 0.74, 29.77, and 5.88 kN for unreinforced specimens and specimens reinforced with 100 mm and 300 mm spaced wedges, respectively. Notably, a tighter reinforcement spacing yielded a similar strength, as expected, which was attributed to the increased friction force between the masonry wall and steel frame. The W-series specimens exhibited a trend comparable to that of the displacement ductility ratio. Overall, the findings validate that post-compressed wedges improve the out-of-plane strength of infill masonry walls.
본 연구에서는 철근 콘크리트 벽과 강판 콘크리트 벽이 이질접합 형태로 만나는 구조물의 휨 및 전단거동 특성을 검토하기 위하여 L형과 I형 타입의 실험체를 제작하고 구조실험을 수행하였다. 실험 시, 지진하중 등에 대한 실험체의 동적특성을 확인하기 위하여 Push 및 Pull을 반복하는 싸이클 하중을 구현하고자 하였다. L형 실험체에 대한 면외 휨 실험결과, 실험체의 공칭강도를 초과하는 휨 성능을 발휘하였으며, 이에 따라 설계에 적용된 수직철근의 미겹침 이음길이의 타당성을 확인할 수 있었다. 한편, 강판 콘크리트 벽 내에 수평철근의 배근 유무를 변수로 구성한 두 개의 I형 실험체에 대한 면내 전단 실험결과, 수평철근의 배근 유무에 상관없이 공칭강도를 초과하는 전단 성능을 보였다.
The out-of-plane response of infill walls has recently gained a growing attention and has been recognised fundamental in the damage assessment of reinforced concrete and steel framed buildings subjected to seismic loads. The observation of damage after earthquakes highlighted that out-of-plane collapse of masonry infills may occur even during seismic events of low or moderate intensity, causing both casualty risks and unfavourable situations affecting the overall structural response. Even though studies concerning the out-of-plane behaviour of infills are not as many as those focused on the in-plane response, in the last decades, a substantial number of researches have been carried out on the out-of-plane behaviour of infills. In this study, the out-of-plane response is investigated considering different aspects. First, damages observed after past earthquakes are examined, with the aim of identifying the main parameters involved and the most critical configurations. Secondly, the response recorded in about 150 experimental tests is deeply examined, focusing on the influence of geometrical characteristics, boundary conditions, prior in-plane damage, presence of reinforcing elements and openings. Finally, different theoretical capacity models and code provisions are discussed and compared, giving specific attention to those based on the arching theory. The reliability of some of these models is herein tested with reference to experimental results. The comparison between analytically predicted and experimental values allows to appreciate the extent of approximation of such methods.
To effectively extract the vast wind resource, offshore wind turbines are designed with large rotor and slender tower, which makes them vulnerable to external vibration sources such as wind and wave loads. Substantial research efforts have been devoted to mitigate the unwanted vibrations of offshore wind turbines to ensure their serviceability and safety in the normal working condition. However, most previous studies investigated the vibration control of wind turbines in one direction only, i.e., either the out-of-plane or in-plane direction. In reality, wind turbines inevitably vibrate in both directions when they are subjected to the external excitations. The studies on both the in-plane and out-of-plane vibration control of wind turbines are, however, scarce. In the present study, the NREL 5 MW wind turbine is taken as an example, a detailed three-dimensional (3D) Finite Element (FE) model of the wind turbine is developed in ABAQUS. To simultaneously control the in-plane and out-of-plane vibrations induced by the combined wind and wave loads, another carefully designed (i.e., tuned) spring and dashpot are added to the perpendicular direction of each Tuned Mass Damper (TMD) system that is used to control the vibrations of the tower and blades in one particular direction. With this simple modification, a bi-directional TMD system is formed and the vibrations in both the out-of-plane and in-plane directions are simultaneously suppressed. To examine the control effectiveness, the responses of the wind turbine without control, with separate TMD system and the proposed bi-directional TMD system are calculated and compared. Numerical results show that the bi-directional TMD system can simultaneously control the out-of-plane and in-plane vibrations of the wind turbine without changing too much of the conventional design of the control system. The bi-directional control system therefore could be a cost-effective solution to mitigate the bi-directional vibrations of offshore wind turbines.
The main structural elements of historical masonry arch bridges are arches, spandrel walls, piers and foundations. The most vulnerable structural elements of masonry arch bridges under transverse seismic loads, particularly in the case of out-of-plane actions, are spandrel wall. The vulnerability of spandrel walls under transverse loads increases with the increasing of their length and height. This paper computationally investigates the out-of-plane nonlinear seismic response of spandrel walls of long-span and high masonry stone arch bridges. The Malabadi Bridge with a main arch span of 40.86m and rise of 23.45m built in 1147 in Diyarbakır, Turkey, is selected as an example. The Concrete Damage Plasticity (CDP) material model adjusted to masonry structures, and cohesive interface interaction between the infill and the spandrel walls and the arch are considered in the 3D finite element model of the selected bridge. Firstly, mode shapes with and without cohesive interfaces are evaluated, and then out-of-plane seismic failure responses of the spandrel walls with and without the cohesive interfaces are determined and compared with respect to the displacements, strains and stresses.
Plates are most widely used in the hulls of floating concrete structures, bridge decks, walls of off-shore structures and liquid storage tanks. A method of analysis is presented for the determination of load-deflection response and ultimate strength of high-strength steel fiber reinforced concrete (HSSFRC) plates simply supported on all four edges and subjected to combined action of external compressive in-plane and transverse loads. The behavior of HSSFRC plate specimens subjected to combined uniaxial in-plane and transverse loads was investigated. The proposed analytical method is compared to the physical test results, and shows good agreement. To predict the constitutive behavior of HSSFRC in compression, a non-dimensional characteristic equation was proposed and found to give reasonable accuracy.
본 연구에서는 철근콘크리트 벽과 강판 콘크리트 벽이 서로 수직면의 이질접합 형태로 만나는 벽의 면외 휨 거동 특성을 검토하기 위하여, L형 실험체를 제작하고 휨 실험을 수행하였다. 실험 시, 실험체의 동적특성을 확인하기 위하여 Push 및 Pull 하중을 반복하는 싸이클 하중을 구현하고자 하였다. Push 하중에 의한 실험 결과, 실험체의 공칭강도를 초과하는 휨 성능을 발휘하였으며, 이에 따라 설계에 적용된 수직철근의 미겹침 이음길이의 타당성을 확인할 수 있었다. 한편, Pull 하중 가력 시에는 수직철근이 최대 내력을 발휘하기 전에 접합부 콘크리트에서 전단 파괴 거동이 나타나, 이에 대한 보강이 필요함을 확인하였다.
The inelastic buckling behaviour of continuously restrained two and three-span continuous beams subjected to concentrated loads and uniformly distributed loads are studied in this paper. The restraint type considered in this paper is fully restrained against translation and elastic twist applied at the top flange. These types of restraints are most likely experienced in industrial structures, for example steel-concrete composite beams and half through girders. The buckling analysis of continuous beam consists of two parts, firstly the moment and shear distribution along the member are determined by employing force method and the information is then used for an out-of-plane buckling analysis. The finite element method is incorporated with so-called simplified and the polynomial pattern of residual stress. Owing to the inelastic response of the steel, both the in-plane and out-of-plane analysis, which is treated as being uncoupled, extend into the nonlinear range. This paper presents the results of inelastic lateral-torsional and lateral-distortional buckling load and finally conclusions are drawn regarding the web distortion.
Numerical studies were carried out to investigate the long-term behavior of late plates in basement, subjected to combined in-plane compressive and transverse loads. For the numerical studies, a computer program of nonlinear finite element analysis was modified by adding function of creep and shrinkage analysis. This numerical method was verified by comparison with the existing experiments. Parametric studies were performed to investigate the strength variations of flat plates with three parameters; 1) loading sequence of floor load, compression and time 2) uniaxial an biaxial compression and 3) the ratio of dead to live load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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