Fiber reinforced polymer (FRP) applications in the structural engineering field include concrete-FRP composite systems, where FRP components are either attached to or embedded into concrete structures to improve their structural performance. This paper presents the results of an analytical study conducted using finite element model (FEM) to simulate the behavior of three-points load beam reinforced with GFRP and/or steel bars. To calibrate the FEM, a small-scale experimental program was carried out using six reinforced concrete beams with $200{\times}200mm$ cross section and 1000 mm length cast and tested under three point bending load. The six beams were divided into three groups, each group contained two beams. The first group was a reference beams which was cast without any reinforcement, the second group concrete beams was reinforced using GFRP, and the third group concrete beams was reinforced with steel bars. Nonlinear finite element simulations were executed using ANSYS software package. The difference between the theoretical and experimental results of beams vertical deflection and beams crack shapes were within acceptable degree of accuracy. Parametric study using the calibrated model was carried out to evaluate two parameters (1) effect of number and position of longitudinal main bars on beam behavior; (2) performance of concrete beam with composite longitudinal reinforcement steel and GFRP bars.
In this paper a novel and efficient computational framework to estimate the stress range versus number of cycles curves experienced by a cable due to external excitations (e.g., seismic excitations, traffic and wind-induced vibrations, among others) is proposed. This study is limited to the wind-cable interaction governed by the Vortex Shedding mechanism which mainly rules cables vibrations at low amplitudes that may lead to their failure due to bending fatigue damage. The algorithm relies on a stochastic approach to account for the uncertainties in the cable properties, initial conditions, damping, and wind excitation which are the variables that govern the wind-induced vibration phenomena in cables. These uncertainties are propagated adopting Monte Carlo simulations and the concept of importance sampling, which is used to reduce significantly the computational costs when new scenarios with different probabilistic models for the uncertainties are evaluated. A high fidelity cable model is also proposed, capturing the effect of its internal wires distribution and helix angles on the cables stress. Simulation results on a 15 mm diameter high-strength steel strand reveal that not accounting for the initial conditions uncertainties or using a coarse wind speed discretization lead to an underestimation of the stress range experienced by the cable. In addition, parametric studies illustrate the computational efficiency of the algorithm at estimating new scenarios with new probabilistic models, running 3000 times faster than the base case.
Azandariani, Mojtaba Gorji;Gholhaki, Majid;Kafi, Mohammad Ali;Zirakian, Tadeh;Khan, Afrasyab;Abdolmaleki, Hamid;Shojaeifar, Hamid
Steel and Composite Structures
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v.39
no.1
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pp.109-123
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2021
This research endeavor intends to use the implicit finite element method to investigate the structural response of steel shear walls with partial plate-column connection. To this end, comprehensive verification studies are initially performed by comparing the numerical predictions with several reported experimental results in order to demonstrate the reliability and accuracy of the implicit analysis method. Comparison is made between the hysteresis curves, failure modes, and base shear capacities predicted numerically using ABAQUS software and obtained/observed experimentally. Following the validation of the finite element analysis approach, the effects of partial plate-column connection on the strength and stiffness performances of steel shear wall systems with different web-plate slenderness and aspect ratios under monotonic loading are investigated through a parametric study. While removal of the connection between the web-plate and columns can be beneficial by decreasing the overall system demand on the vertical boundary members, based on the results and findings of this study such detachment can lower the stiffness and strength capacities of steel shear walls by about 25%, on average.
The use of concrete filled steel tube (CFST) column is widely accepted due to its property of high axial load carrying capacity, more ductility and more resistant to earthquake specially using in bridges and high-rise buildings. The initial imperfection (δ) that produces during casting or fixing causes the reduction in load carrying capacity, this is the reason, experimental capacity is always less then theoretical one. In this research, the effect of δ on load carrying capacity and behavior of concrete filled steel tube (CFST) column have been investigated by numerically simulation of large number of models with different δ and other geometric parameters that include length (L), width (B), steel tube thickness (t), f'c and fy. Finite element analysis software ANSYS v18 is used to develop model of SCFST column to evaluate strength capacity, buckling and failure pattern of member which is applied during experimental study under cyclic axial loading. After validation of results, 42 models with different parameters are evaluated to develop empirical equation predicting axial load carrying capacity for different value of δ. Results indicate that empirical equation shows the 0 to 9% error for finite element analysis Forty-two models in comparison with ANSYS results, respectively. Empirical equation can be used for predicting the axial capacity of early estimating the axial capacity of SCFT column including 𝛿.
Young Jun Kim;Hyung Min Baek;Young Jun Yang;Eun Soo Kim;Young-Myung Choi
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.37
no.1
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pp.20-30
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2023
Modeling a nonlinear ocean wave is one of the primary concerns in ocean engineering and naval architecture to perform an accurate numerical study of wave-structure interactions. The high-order spectral (HOS) method, which can simulate nonlinear waves accurately and efficiently, was investigated to see its capability for nonlinear wave generation. An open-source (distributed under the terms of GPLv3) project named "HOS-ocean" was used in the present study. A parametric study on the "HOS-ocean" was performed with three-hour simulations of long-crested ocean waves. The considered sea conditions ranged from sea state 3 to sea state 7. One hundred simulations with fixed computational parameters but different random seeds were conducted to obtain representative results. The influences of HOS computational parameters were investigated using spectral analysis and the distribution of wave crests. The probability distributions of the wave crest were compared with the Rayleigh (first-order), Forristall (second-order), and Huang (empirical formula) distributions. The results verified that the HOS method could simulate the nonlinearity of ocean waves. A set of HOS computational parameters was suggested for the long-crested irregular wave simulation in sea states 3 to 7.
A three dimensional nonlinear finite element analysis is used to study the influence of various design decisions for tieback walls. The numerical model simulates the soldier piles and the tendon bonded length of the anchors with beam elements, the unbonded tendon with a spring element, the wood lagging with the shell elements, and the soil with solid 3D nonlinear elements. The soil model used is a modified hyperbolic model with unloading hysteresis. The complete sequence of construction is simulated including the excavation, and the placement and stressing of the anchors. The numerical model is calibrated against a full scale instrumented tieback wall at the National Geotechnical Experimentation Site (NGES) on the Riverside Campus of Texas A&M University. Then a parametric study is conducted. The results give information on the influence of the following factors on the wall behavior : location of the first anchor, length of the tendon unbonded zone, magnitude of the anchor forces, embedment of the soldier piles, stiffness of the wood lagging, and of the piles. The implications in design are discussed.
Gerdroodbary, M. Barzegar;Mokhtari, Mojtaba;Bishehsari, Shervin;Fallah, Keivan
Asian Journal of Atmospheric Environment
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v.10
no.3
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pp.125-136
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2016
In this study, the effects of the mesh barrier on the free dispersion of ammonia were numerically investigated under different atmospheric conditions. This study presents the detail and flow feature of the dispersion of ammonia through the mesh barrier on various free stream conditions to decline and limit the toxic danger of the ammonia. It is assumed that the dispersion of the ammonia occurred through the leakage in the pipeline. Parametric studies were conducted on the performance of the mesh barrier by using the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with realizable k-${\varepsilon}$ turbulence model. Numerical simulations of ammonia dispersion in the presence of mesh barrier revealed significant results in a fully turbulent free stream condition. The results clearly show that the flow behavior was found to be a direct result of mesh size and ammonia dispersion is highly influenced by these changes in flow patterns in downstream. In fact, the flow regime becomes laminar as flow passes through mesh barrier. According to the results, the mesh barrier decreased the maximum concentration of the ammonia gas and limited the risk zone (more than 500 ppm) lower than 2 m height. Furthermore, a significant reduction occurs in the slope of the upper boundary of $NH_3$ risk zone distribution at downstream when a mesh barrier is presented. Thus, this device highly restricts the leak distribution of ammonia in the industrial plan.
Strengthening of existing old structures has traditionally been accomplished by using conventional materials and techniques, viz., externally bonded steel plates, steel or concrete jackets, etc. Alternatively, fibre reinforced polymer composite (FRPC) products started being used to overcome problems associated with conventional materials in the mid 1950s because of their favourable engineering properties. Effectiveness of FRPC materials has been demonstrated through extensive experimental research throughout the world in the last two decades. However there is a need to use refined analytical tools to simulate response of strengthened system. In this paper, an attempt has been made to develop a numerical model of strengthened reinforced concrete (RC) beams with FRPC laminates. Material models for RC beams strengthened with FRPC laminates are described and verified through a nonlinear finite element (FE) commercial code, with the help of available experimental data. Three dimensional (3D) FE analysis has been performed by assuming perfect bonding between concrete and FRPC laminate. A parametric study has also been performed to examine effects of various parameters like fibre type, stirrup's spacing, etc. on the strengthening system. Through numerical simulation, it has been shown that it is possible to predict accurately the flexural response of RC beams strengthened with FRPC laminates by selecting an appropriate material constitutive model. Comparisons are made between the available experimental results in literature and FE analysis results obtained by the present investigators using load-deflection and load-strain plots as well as ultimate load of the strengthened beams. Furthermore, evaluation of crack patterns from FE analysis and experimental failure modes are discussed at the end.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.1
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pp.147-154
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2002
The dynamic load caused by sloshing of internal fluid severely affects the structural and control stabilities of cylindrical liquid containers accelerating vertically. If the sloshing frequency of fluid is near the frequency of control system or the tank structure, large dynamic force and moment act on launching vehicles. For the suppression of such dynamic effects, generally flexible ring-type baffles are employed. In this paper, we perform the numerical analysis to evaluate the dynamic suppression effects of baffle. The parametric analysis is performed with respect to the baffle inner-hole diameter and two different baffle spacing types : equal spacing with respect to the tank and one with respect to the fluid height. The ALE (arbitrary Lagrangin-Eulerian) numerical method is adopted for the accurate and effective simulation of the hydrodynamic interaction between fluid and elastic structure.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.6
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pp.19-31
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2011
The current Korean criteria for seismic performance evaluated by dynamic analysis regulates that the horizontal displacement and vertical settlement of a dam body, including the static deformation, should be within 1% of the dam height. However, there has been weak theoretical support, so that the current criteria have to be validated. Korea is in a region of low or moderate seismicity located inside the Eurasian plate, and few earthquakes with considerable magnitudes and intensities have been recorded in the area. Therefore, in this study, published data measured in overseas countries were collected in order to construct a database and validate the current criteria. In addition, dynamic centrifuge tests and a parametric study using numerical simulations were performed in order to investigate the effect on the horizontal displacement and settlement of a dam body and to validate the current criteria.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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