Many of small-scale devices should be designed to tolerate high temperature changes. In the present study, the states of buckling and stability of nano-scale cylindrical shell structure integrated with piezoelectric layer under various thermal and electrical external loadings are scrutinized. In this regard, a multi-layer composite shell reinforced with graphene nano-platelets (GNP) having different patterns of layer configurations is modeled. An outer layer of piezoelectric material receiving external voltage is also attached to the cylindrical shell for the aim of observing the effects of voltage on the thermal buckling condition. The cylindrical shell is mathematically modeled with first-order shear deformation theory (FSDT). Linear elasticity relationship with constant thermal expansion coefficient is used to extract the relationship between stress and strain components. Moreover, minimum virtual work, including the work of the piezoelectric layer, is engaged to derive equations of motion. The derived equations are solved using numerical method to find out the effects of temperature and external voltage on the buckling stability of the shell structure. It is revealed that the boundary condition, external voltage and geometrical parameter of the shell structure have notable effects on the temperature rise required for initiating instability in the cylindrical shell structure.
Organic solar cells utilized natural polymers to convert solar energy to electricity. The demands for green energy production and less disposal of toxic materials make them one of the interesting candidates for replacing conventional solar cells. However, the different aspects of their properties including mechanical strength and stability are not well recognized. Therefore, in the present study, we aim to explore the chaotic responses of these organic solar cells. In doing so, a specific type of organic solar cell constructed from layers of material with different thicknesses is considered to obtain vibrational and chaotic responses under different boundaries and initial conditions. A square plate structure is examined with first-order shear deformation theory to acquire the displacement field in the laminated structure. The bounding between different layers is considered to be perfect with no sliding and separation. On the other hand, nonlocal elasticity theory is engaged in incorporating the structural effects of the organic material into calculations. Hamilton's principle is adopted to obtain governing equations with regard to boundary conditions and mechanical loadings. The extracted equations of motion were solved using the perturbation method and differential quadrature approach. The results demonstrated the significant effect of relative glass layer thickness on the chaotic behavior of the structure with higher relative thickness leading to less chaotic responses. Moreover, a comprehensive parameter study is presented to examine the effects of nonlocality and relative thicknesses on the natural frequency of square organic solar cell structure.
Jean Paul Irakoze;Shujin Li;Wuchuan Pu;Patrice Nyangi;Amedee Sibomana
Earthquakes and Structures
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v.25
no.6
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pp.399-415
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2023
In this study, we investigate the use of a negative stiffness tuned inerter damper system to improve the performance of a base-isolated structure. The negative stiffness tuned inerter damper system consists of a tuned inerter damper connected in parallel with a negative stiffness element. To find the optimal parameters for the base-isolated structure with negative stiffness tuned inerter damper system, we develop an optimization method based on performance criteria. The objective of the optimization is to minimize the superstructure acceleration response ratio, while ensuring that the base displacement response ratio remains below a specified target value. We evaluate the proposed method by conducting numerical analyses on an eight-story building. The structure is modeled using both a simplified 3-degree-of-freedom system and a more detailed story-by-story shear-beam model. Lastly, a comparative analysis using time history analysis is performed to compare the performance of the base-isolated structure with negative stiffness tuned inerter damper system with that of the base-isolated structure and base-isolated structure with tuned inerter damper systems. The results obtained from the comparative analysis show that the negative stiffness tuned inerter damper system outperforms the tuned inerter damper system in reducing the dynamic seismic response of the base-isolated structure. Overall, this study demonstrates that the negative stiffness tuned inerter damper system can effectively enhance the performance of base-isolated structures, providing improved seismic response reduction compared to other systems.
RADAR Absorbing Structure (RAS), one of stealth technologies, is a multifunctional composite that is capable of supporting load and absorbing electromagnetic waves. In order to supplement the shortcomings of the existing RAS, a hybrid RAS in which the short carbon fiber layers were inserted has been proposed. However, the inserted short carbon fiber layers may affect the mechanical properties of the structure. Therefore, this study measured the interlaminar shear strength (ILSS) of the hybrid RAS with the inserted short carbon fiber layer. The ILSS of hybrid composite with different areal densities of the short carbon fiber layer was measured to investigate the effect of changes in the areal density of the short carbon fiber layer on the ILSS of the structure. In addition, the ILSS of the 4 kinds of the hybrid RAS were measured and compared with the ILSS of glass/epoxy. As a result of the measurement, it was confirmed that the short carbon fiber layer did not significantly affect the ILSS of the hybrid composite and the hybrid RAS.
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.
In Chinese Design Codes, for super high-rise buildings with complex structural distribution, which are regarded as code-exceeding buildings, elasto-plastic time history analysis is needed to validate the requirement of "no collapse under rare earthquake". In this paper, a 117-story super high-rise building is discussed. It has a height of 597 m and a height-width ratio of 9.5, which have both exceeded the limitations stipulated by the Chinese Design Codes. Mega columns adopted in this structure have cross section area of about $45m^2$ at the bottom, which is infrequent in practical projects. NosaCAD and Perform-3D, both widely used in nonlinear analyses, were chosen in this study, with which two model were established and analyzed, respectively. Elasto-plastic time history analysis was conducted to look into its seismic behavior, emphasizing on the stress state and deformation abilities under intensive seismic excitation.From the comparisons on the results under rare earthquake obtained from NosaCAD and Perform-3D, the overall responses such as roof displacement, inter story drift, base shear and damage pattern of the whole structure from each software show agreement to an extent. Besides, the deformation of the structure is below the limitation of the Chinese Codes, the time sequence and distribution of damages on core tubes are reasonable, and can dissipate certain inputted energy, which indicates that the structure can meet the requirement of "no collapse under rare earthquake".
Nguyen, Quoc Van;Fatahi, Behzad;Hokmabadi, Aslan S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.58
no.6
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pp.1045-1075
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2016
Shallow footings are one of the most common types of foundations used to support mid-rise buildings in high risk seismic zones. Recent findings have revealed that the dynamic interaction between the soil, foundation, and the superstructure can influence the seismic response of the building during earthquakes. Accordingly, the properties of a foundation can alter the dynamic characteristics (natural frequency and damping) of the soil-foundation-structure system. In this paper the influence that shallow foundations have on the seismic response of a mid-rise moment resisting building is investigated. For this purpose, a fifteen storey moment resisting frame sitting on shallow footings with different sizes was simulated numerically using ABAQUS software. By adopting a direct calculation method, the numerical model can perform a fully nonlinear time history dynamic analysis to realistically simulate the dynamic behaviour of soil, foundation, and structure under seismic excitations. This three-dimensional numerical model accounts for the nonlinear behaviour of the soil medium and structural elements. Infinite boundary conditions were assigned to the numerical model to simulate free field boundaries, and appropriate contact elements capable of modelling sliding and separation between the foundation and soil elements are also considered. The influence of foundation size on the natural frequency of the system and structural response spectrum was also studied. The numerical results for cases of soil-foundation-structure systems with different sized foundations and fixed base conditions (excluding soil-foundation-structure interaction) in terms of lateral deformations, inter-storey drifts, rocking, and shear force distribution of the structure were then compared. Due to natural period lengthening, there was a significant reduction in the base shears when the size of the foundation was reduced. It was concluded that the size of a shallow foundation influences the dynamic characteristics and the seismic response of the building due to interaction between the soil, foundation, and structure, and therefore design engineer should carefully consider these parameters in order to ensure a safe and cost effective seismic design.
An, Jae-Mo;Kim, Gwang-Su;Jang, Yeong-Sun;Lee, Yeong-Mu
Aerospace Engineering and Technology
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v.5
no.2
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pp.159-165
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2006
In this study, structural analysis is executed about cone structure of KSL V-1 2nd
stage KMS(kick motor support structure) which is designed for support the load
developed from 2nd stage kick motor. KMS is consisted of cone structure and truss
structure which is designed for supporting load developed from 2nd stage payload.
Applied loads to cone structure are tension load by inertia developed from kick motor
and compression load developed from kick motor. Also, shear and bending load are
developed according to flight condition. In this study, structural analysis of cone
structure is executed under several load condition which may be applied to cone
structure. Also, structural analysis with two finite element model is performed
according to pressure vent scheme. In result of structural analysis, critical load
condition is equivalent tension load with cut-out.
For the bolster type bogie, bolster anchor body connections are proviede to transmit the longitudinal loads for traction or braking between the carbody and the truck. The bolster anchor body connection is generally composed of anchor rod bracket, anchor rod and its fastening devices. The bolster anchor body connection shall be basically capable of withstanding a longitudinal load resulting from excessive braking case or impact. Additionally the north America standard requires that the anchor rod bracket shall be frangible, I.e. the anchor rod bracket shall fail and fall away under load before the carbody structure is damaged since to protect the cabody structure in the event of unexpected accident. This paper describes the shear connection design using the optimized mechanical fasteners in the bolster anchor body connection to satisfy these Northe America requirements.
It has been known that one-dimensional rod theory is very effective as a simplified analytical approach to large scale or complicated structures such as high-rise buildings, in preliminary design stages. It replaces an original structure by a one-dimensional rod which has an equivalent stiffness in terms of global properties. If the structure is composed of distinct constituents of different stiffness such as coupled walls with opening, structural behavior is significantly governed by the local variation of stiffness. This paper proposes an extended version of the rod theory which accounts for the two-dimensional local variation of structural stiffness; viz, variation in the transverse direction as well as longitudinal stiffness distribution. The governing equation for the two-dimensional rod theory is formulated from Hamilton's principle by making use of a displacement function which satisfies continuity conditions across the boundary between the distinct structural components in the transverse direction. Validity of the proposed theory is confirmed by comparison with numerical results of computational tools in the cases of static, free vibration and forced vibration problems for various structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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