Considering that different boundary conditions can have an important impact on structural vibration characteristics. In this paper, the nonlinear forced vibration behavior of functionally graded material (FGM) doubly curved shells with initial geometric imperfections under different boundary conditions is studied. Considering initial geometric imperfections and von Karman geometric nonlinearity, the nonlinear governing equations of FGM doubly curved shells are derived using Reissner's first order shear deformation (FOSD) theory. Three different boundary conditions of four edges simply supported (SSSS), four edges clamped (CCCC), clamped-clamped-simply-simply (CCSS) were studied, and a system of nonlinear ordinary differential equations was obtained with the help of Galerkin principle. The nonlinear forced vibration response of the FGM doubly curved shell is obtained by using the modified Lindstedt Poincare (MLP) method. The accuracy of this method was verified by comparing it with published literature. Finally, the effects of curvature ratio, power law index, void coefficient, prestress, and initial geometric imperfections on the resonance of FGM doubly curved shells under different boundary conditions are fully discussed. The relevant research results can provide certain guidance for the design and application of doubly curved shell.
In this study, a direct Lagrangian-based three-dimensional computational procedure is developed to evaluate the seismic performance of reinforced concrete liquid-containing circular tanks (RC-LCT). In this approach, fluid-structure interaction (FSI), material nonlinearity, and liquid-structure large deformations are formulated realistically. Liquid is modeled using Mie-Grüneisen equation of state (EOS) in compressible form considering the convective and impulsive motions of fluid. The developed numerical framework is validated based on a previous study. Further, nonlinear analyses are carried out to assess the seismic performance of RC-LCT with various diameter-to-liquid height ratios ranging from 2.5 to 4.0. Based on observations, semi-deep tanks (i.e., D/Hl=2.5) show low collapse ductility due to their shear failure mode while shallow tanks (i.e., D/Hl=4.0) behave in a more ductile manner due to their dominant wall membrane action. Furthermore, the semi-deep tanks provide the least over-strength and ductility due to their catastrophic failure with little energy dissipation. This study shows that LCTs can be categorized as between immediately operational and life safety levels and therefore a drift limiting criterion is necessary to prevent probable damages during earthquakes.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.1C
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pp.43-52
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2006
Despite several constitutive models have been proposed and applied, it is still difficult to choose a suitable model and to estimate adequate analysis parameters. Furthermore, a cyclic shear behavior under the volume change caused by the seepage is more complex. None of the constitutive model is available at present in the expression of the cyclic behavior of soil under an additional volume change condition by seepage. Therefore, a new geotechnical hybrid simulation system which can control the pore water immigration was developed. The system enables a quantitative evaluation of the residual deformation such as lateral spreading and settlement caused by the liquefaction. The seismic responses in a one-dimensional slightly inclined multilayered soil system are taken into consideration, and the soils are governed by both equation of motion and the continuity equation. Furthermore, the estimation and the selection of the soil parameter for the representation of the strong nonlinearity of the material are not required, because soil behaviors under the earthquake motions are directly introduced instead of a numerical soil constitutive model. This paper presents the concept and specifications of the system. By applying the system to an example problem, the permeability effect on the seismic response during cyclic shear is studied. The importance of the volume change characteristics of sandy soil during and after cyclic shear is shown in conclusion.
The objective of this study is to investigate the correlation between steady shear flow (nonlinear behavior) and dynamic viscoelastic (linear behavior) properties for concentrated polymer solutions. Using both an Advanced Rheometic Expansion System(ARES) and a Rheometics Fluids Spectrometer (RFS II), the steady shear flow viscosity and the dynamic viscoelastic properties of concentrated poly(ethylene oxide)(PEO), polyisobutylene(PIB), and polyacrylamide(PAAm) solutions have been measured over a wide range of shear rates and angular frequencies. The validity of some previously proposed relationships was compared with experimentally measured data. In addition, the effect of solution concentration on the applicability of the Cox-Merz rule was examined by comparing the steady flow viscosity and the magnitude of the complex viscosity Finally, the applicability of the Cox-Merz rule was theoretically discussed by introducing a nonlinear strain measure. Main results obtained from this study can be summarized as follows : (1) Among the previously proposed relationships dealt with in this study, the Cox-Merz rule implying the equivalence between the steady flow viscosity and the magnitude of the complex viscosity has the best validity. (2) For polymer solutions with relatively lower concentration, the steady flow viscosity is higher than the complex viscosity. However, such a relation between the two viscosities is reversed for highly concentrated polymer solutions. (3) A nonlinear strain measure is decreased with increasing stran magnitude, after reaching the maximum value in small strain range. This behavior is different from the theoretical prediction demonstrating the shape of a damped oscillatory function. (4) The applicability of the Cox-Merz rule is influenced by the $\beta$ value, which indicates the slope of a nonlinear stain measure (namely, the degree of nonlinearity) at large shear deformations. The Cox-Merz rule shows better applicability as the $\beta$ value becomes smaller.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.2
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pp.31-37
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1997
Structural details of the three-bay-straw-roof house which was the most common form of residence as a commoner's house during ancient period are suggested. Wooden frames are used in the house. The typical form of joint used is Sagaemachum. The static lateral loading capacity of the frames is evaluated through the test on full scale models. The effects of joint type at the column head and wooden lattice on the lateral loading capacity and the failure modes of frames are analyzed. The ultimate lateral loading capacity and displacement of the ordinary frame at failure are 1.090 N and 400 mm(1/6rad), respectively. These values for the frame with high column are 4,160 N and 250 mm(1/9.6rad), respectively. The behavior of joint at column head controls the overall lateral loading capacity of the frame and shows very large nonlinearity. The general failure modes of joint for an ordinary frame and a frame with high column are shear and bending failure at the branches of Sagaemachum, respectively.
Kim, Jae Min;Noh, Tae Yong;Huh, Jungwon;Kim, Moon Soo;Hyun, Chang Hun
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.2
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pp.63-74
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2015
This study investigated the influence of probabilistic variability in stiffness and nonlinearity of soil on response of nuclear power plant (NPP) structure subjected to seismic loads considering the soil-structure interaction (SSI). Both deterministic and probabilistic methods have been employed to evaluate the dynamic responses of the structure. For the deterministic method, $SRP_{min}$ method given in USNRC SRP 3.7.2(2013) (envelope of responses using three shear modulus profiles of lower bound($G_{LB}$), best estimate($G_{BE}$) and upper bound($G_{UB}$)) and $SRP_{max}$ method (envelope of responses by more than three ground profiles within range of $G_{LB}{\leq}G{\leq}G_{UB}$) have been considered. The probabilistic method uses the Latin Hypercube Sampling (LHS) that can capture probabilistic feature of soil stiffness defined by the median and the standard deviation. These analysis results indicated that 1) number of samples shall be larger than 60 to apply the probabilistic approach in SSI analysis and 2) in-structure response spectra using equivalent linear soil profiles considering the nonlinear behavior of soil medium can be larger than those based on low-strain soil profiles.
The objective of this study is to perform finite element analyses(FEA) using the anisotropic hardening constitutive model on the basis of the total stress concept. An anisotropic hardening model was then developed to solve the problem and its mathematical formulations and experimental verifications were also described. In a companion paper, the constitutive equation will be formulated for accurate and efficient solutions of FEA, and coded into a nonlinear analysis program, and finally a field problem will be analyzed. The proposed model includes the failure criterion of a von Mises type and the anisotropic hardening rule based on the generalized isotropic hardening description, which can model the nonlinearity and the anisotropy of the stress-strain relationship. As a result this study could verty the experimental results for UU triaxial tests, CU triaxial tests for overconsolidated samples, and anisotropic loading tests with the rotation of principal stress axes for $K_0$consolidated samples.
In the horizontally curved bridges, girders are subjected to the combined action of vertical bending and torsion due to their curvatures without any eccentric loads. As subjected to bending and torsion, the ultimate strength of steel/concrete composite box girders are limited by the diagonal tensile stress in the deck concrete induced by the St. Venant torsion. To determine the ultimate strength of composite box girders in bending and torsion and their interactions, this study conducted a 3-dimensional FEA and classical strength of materials investigation. Using ABAQUS, the FEA fully utilized advanced nonlinear analysis techniques simulating material/geometrical nonlinearity and post-cracking behaviors. The ultimate strength from numerical data were compared with theoretically derived values. Concurrent compressive stresses in the concrete deck improve the shear-resisting capacity of concrete, thereby resulting in an increased torsional resistance of the composite box girder in positive bending. The proposed interaction equation is very simple yet it provides a rational lower bound in determining the ultimate strength of concrete/steel composite box girders.
Gunaydin, Murat;Adanur, Suleyman;Altunisik, Ahmet Can;Sevim, Baris;Turker, Emel
Steel and Composite Structures
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v.17
no.4
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pp.405-429
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2014
In this paper, it is aimed to determine the structural behavior of suspension bridges considering construction stages and different soil conditions. Bosporus Suspension Bridge connecting the Europe and Asia in Istanbul is selected as an example. Finite element model of the bridge is constituted using SAP2000 program considering existing drawings. Geometric nonlinearities are taken into consideration in the analysis using P-Delta large displacement criterion. The time dependent material strength of steel and concrete and geometric variations is included in the analysis. Time dependent material properties are considered as compressive strength, aging, shrinkage and creep for concrete, and relaxation for steel. To emphases the soil condition effect on the structural behavior of suspension bridges, each of hard, medium and soft soils are considered in the analysis. The structural behavior of the bridge at different construction stages and different soil conditions has been examined. Two different finite element analyses with and without construction stages are carried out and results are compared with each other. At the end of the analyses, variation of the displacement and internal forces such as bending moment, axial forces and shear forces for bridge deck and towers are given in detail. Also, displacement and stresses for bridge foundation are given with detail. It can be seen from the analyses that there are some differences between both analyses (with and without construction stages) and the results obtained from the construction stages are bigger. It can be stated that the analysis without construction stages cannot give the reliable solutions. In addition, soil condition have effect on the structural behavior of the bridge. So, it is thought that construction stage analysis using time dependent material properties, geometric nonlinearity and soil conditions effects should be considered in order to obtain more realistic structural behavior of suspension bridges.
Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datta, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.5
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pp.625-641
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2020
The realistic modeling of the beam-column semi-rigid connection in steel frames attracted the attention of many researchers in the past for the seismic analysis of semi-rigid frames. Comparatively less studies have been made to investigate the behavior of steel frames with semi-rigid connections under different types of earthquake. Herein, the seismic behavior of semi-rigid steel frames is investigated under both far and near-field earthquakes. The semi-rigid connection is modeled by the multilinear plastic link element consisting of rotational springs. The kinematic hysteresis model is used to define the dynamic behavior of the rotational spring, describing the nonlinearity of the semi-rigid connection as defined in SAP2000. The nonlinear time history analysis (NTHA) is performed to obtain response time histories of the frame under scaled earthquakes at three PGA levels denoting the low, medium and high-level earthquakes. The other important parameters varied are the stiffness and strength parameters of the connections, defining the degree of semi-rigidity. For studying the behavior of the semi-rigid frame, a large number of seismic demand parameters are considered. The benchmark for comparison is taken as those of the corresponding rigid frame. Two different frames, namely, a five-story frame and a ten-story frame are considered as the numerical examples. It is shown that semi-rigid frames prove to be effective and beneficial in resisting the seismic forces for near-field earthquakes (PGA ≈ 0.2g), especially in reducing the base shear to a considerable extent for the moderate level of earthquake. Further, the semi-rigid frame with a relatively weaker beam and less connection stiffness may withstand a moderately strong earthquake without having much damage in the beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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