A multiscale modeling scheme that addresses the influence of the nanoparticle size in nanocomposites consisting of nano-sized spherical particles embedded in a polymer matrix is presented. A micromechanics-based constitutive model for nanoparticle-reinforced polymer composites is derived by incorporating the Eshelby tensor considering the interface effects (Duan et al. 2005a) into the ensemble-volume average method (Ju and Chen 1994). A numerical investigation is carried out to validate the proposed micromechanics-based constitutive model, and a parametric study on the interface moduli is conducted to investigate the effect of interface moduli on the overall behavior of the composites. In addition, molecular dynamics (MD) simulations are performed to determine the mechanical properties of the nanoparticles and polymer. Finally, the overall elastic moduli of the nanoparticle-reinforced polymer composites are estimated using the proposed multiscale approach combining the ensemble-volume average method and the MD simulation. The predictive capability of the proposed multiscale approach has been demonstrated through the multiscale numerical simulations.
Developed from conventional concrete filled steel tubular (CFST) members, concrete-encased CFST has attracted growing attention in building and bridge practices. In actual construction, the inner CFST is erected prior to the casting of the outer reinforced concrete part to support the construction preload, after which the whole composite member is under sustained service load. The complex loading sequence leads to highly nonlinear material interaction and consequently complicated structural performance. This paper studies the full-range behaviour of concrete-encased CFST columns with initial preload on inner CFST followed by sustained service load over the whole composite section. Validated against the reported data obtained from specifically designed tests, a finite element analysis model is developed to investigate the detailed structural behaviour in terms of ultimate strength, load distribution, material interaction and strain development. Parametric analysis is then carried out to evaluate the impact of significant factors on the structural behaviour of the composite columns. Finally, a simplified design method for estimating the sectional capacity of concrete-encased CFST is proposed, with the combined influences of construction preload and sustained service load being taken into account. The feasibility of the developed method is validated against both the test data and the simulation results.
Di Paola, Mario;Pirrotta, Antonina;Zingales, Massimiliano
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.4
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pp.373-386
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2008
In this study stochastic analysis of non-linear dynamical systems under ${\alpha}$-stable, multiplicative white noise has been conducted. The analysis has dealt with a special class of ${\alpha}$-stable stochastic processes namely sub-Gaussian white noises. In this setting the governing equation either of the probability density function or of the characteristic function of the dynamical response may be obtained considering the dynamical system forced by a Gaussian white noise with an uncertain factor with ${\alpha}/2$- stable distribution. This consideration yields the probability density function or the characteristic function of the response by means of a simple integral involving the probability density function of the system under Gaussian white noise and the probability density function of the ${\alpha}/2$-stable random parameter. Some numerical applications have been reported assessing the reliability of the proposed formulation. Moreover a proper way to perform digital simulation of the sub-Gaussian ${\alpha}$-stable random process preventing dynamical systems from numerical overflows has been reported and discussed in detail.
A steel-concrete composite (SC) panel typically consists of two steel faceplates and a plain concrete core. This paper investigated the impact response of SC panels through drop hammer tests and numerical simulations. The influence of the drop height, faceplate thickness, and axial compressive preload was studied. Experimental results showed that the deformation of SC panels under impact consists of local indentation and overall bending. The resistance of the panel significantly decreased after the local failure occurred. A three-dimensional finite element model was established to simulate the response of SC panels under low-velocity impact, in which the axial preload could be considered reasonably. The predicted displacements and impact force were in good agreement with the experimental results. Based on the validated model, a parametric study was conducted to further discuss the effect of the axial compressive preload.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.21
no.2
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pp.196-208
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2009
In this paper, wave responses of buoyant flap-typed storm surge barriers was studied numerically. Wave motions were modeled by using a linear potential wave theory, and behaviors of structures were represented as a Newton's 2nd law of motion. The near field region of the fluid was discretized as conventional quadratic iso-parametric elements, while the far field was modeled as infinite elements. Comparisons with the results from hydraulic model tests show that the present model gives good results. By using the model, the applicability of a buoyant flap-typed storm surge barrier in Masan bay was investigated considering field environmental conditions.
Coastal aquifers may serve as major sources fur freshwater. In many coastal aquifers, intrusion of seawater has become one of the major constraints imposed on groundwater utilization. The management of groundwater in coastal acquifers means making decision as to the pumping rate and the spatial distribution of wells. Several numerical techniques for flow and solute transport simulation can provide the means to achieve this goal. As a basic study to predict the intrusion of seawater in coastal phreatic aquifers, the coupled flow and solute transport analysis was conducted by use of the 3-D finite element code, SWICHA. In order to understand how the location and the shape of freshwater-seawater transition zone were affected by the boundary conditions and hydrogeologic variables, parametric study was carried out.
This study examined the magnitude and distribution of earth pressure on the support system in a jointed rock mass due to the different joint spacing as well as varying the rock type and joint condition (joint shear strength and joint inclination angle). Based on a physical model test and its numerical simulation, a series of numerical parametric analyses were conducted using a discrete element method. The results showed that the magnitude and distribution of earth pressure were strongly affected by the different joint spacing as well as the rock type and joint condition. In addition, the study results were compared with Peck's earth pressure for soil ground, which indicated that the earth pressure in a jointed rock mass could be considerably different from that in soil ground. The study suggests that the joint spacing as well as the rock type and joint condition are important factors affecting the earth pressure in a jointed rock mass and they should be considered when designing a support system in a jointed rock mass.
Akram, Ali;Mustaffa, Zahiraniza;Albarody, Thar M. Badri
Steel and Composite Structures
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v.35
no.2
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pp.171-186
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2020
This paper aims at providing insights on the use of thermosetting liner for the repair of offshore pipelines exposed to corrosion and leakage. The work which covers both experimental and numerical approaches were aspired due to the high cost of repair for pipelines, limitations of thermoplastic material and limited study of reinforced thermosetting liner. The experiment involves a destruction test called the burst test, carried out on an API 5L X42 carbon steel pipe under four case studies, namely (i) intact pipe, (ii) pipe with corrosion defect, (iii) pipe with corrosion defect and repaired with thermosetting liner and (iv) pipe with leakage and repaired with thermosetting liner. The numerical simulation was developed to first validate the experimental results and later to optimize the design of the thermosetting liner in terms of the number of layers required to restore the original strength of the pipe. The burst test shows an improvement in 23% of the burst capacity for the pipe with corrosion defects, after being repaired with a three-layer thermosetting liner. The parametric studies conducted showed that with an addition of thermosetting layers, the burst capacity improves by an average of 1.85 MPa. In conclusions, the improvement in strength can be further increased with increasing thickness of the thermosetting liner. The thermosetting liner was also determined to fail first inside the host pipe.
In this paper, the cyclic behavior of steel beam-concrete encased steel (CES) column joints was investigated experimentally and numerically. Three frame middle joint samples with varying concrete slab widths were constructed. Anti-symmetrical low-frequency cyclic load was applied at two beam ends to simulate the earthquake action. The failure modes, hysteretic behavior, ultimate load, stiffness degradation, load carrying capacity degradation, displacement ductility and strain response were investigated in details. The three composite joints exhibited excellent seismic performance in experimental tests, showing high load-carrying capacity, good ductility and superior energy dissipation ability. All three joint samples reached their ultimate loads due to shear failure. Numerical results from ABAQUS modelling agreed well with the test results. Finally, the effect of the concrete slab on ultimate load was analyzed through a parametric study on concrete strength, slab thickness, as well as slab width. Numerical simulation showed that slab width and thickness played an important role in the load-carrying capacity of such joints. As a comparison, the influence of concrete grade was not significant.
In this study, the dynamic interaction between an Arctic Spar and drifting level ice is examined in time domain using the newly developed ice-hull-mooring coupled dynamics program. The in-house program, CHARM3D, which is the hull-riser-mooring coupled dynamic simulator is extended by coupling with the open-source discrete element method (DEM) simulator, LIGGGHTS. In the LIGGGHTS module, the parallel-bonding method is implemented to model the level ice using an assembly of multiple bonded spherical particles. As a case study, a spread-moored Artic Spar platform, whose hull surface near waterline is the inverted conical shape, is chosen. To determine the breaking-related DEM parameter (the critical bonding strength), the four-point numerical bending test is used. A series of numerical simulations is systematically performed under the various ice conditions including ice drift velocity, flexural strength, and thickness. Then, the effects of these parameters on the ice force, platform motions, and mooring tensions are discussed. The simulations reveal various features of dynamic interactions between the drifting ice and moored platform for various ice conditions including the novel synchronous resonance at low ice speed. The newly developed simulator is promising and can repeatedly be used for the future design and analysis including ice-floater-mooring coupled dynamics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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