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.
The Xiaolan channel super large bridge is unique in style and with greatest span in the world with a total length of 7686.57 m. The main bridge with spans arranged as 100m+220m+100m is a combined structure composed of prestressed concrete V-shape rigid frame and concrete-filled steel tubular flexible arch. First of all, the author compiles APDL command flow program by using the unit birth-death technique and establishes simulation calculation model in the whole construction process. The creep characteristics of concrete are also taken into account. The force ratio of the suspender, arch and beam is discussed. The authors conduct studies on the three-plate webs's rule of shear stress distribution, the box girder's longitudinal bending normal stress on every construction stage, meanwhile the distribution law of longitudinal bending normal stress and transverse bending normal stress of completed bridge's box girder. Results show that, as a new combined bridge, it is featured by: Girder and arch resist forces together; Moment effects of the structure are mainly presented as compressed arch and tensioned girder; The bridge type brings the girder and arch on resisting forces into full play; Great in vertical stiffness and slender in appearance.
Creation of plastic deformation under seismic loads, is one of the most serious subjects in RC structures with steel bars which reduces the life threatening risks and increases dissipation of energy. Shape memory alloy (SMA) is one of the best choice for the relocating plastic hinges. In a challenge to study the seismic response of concrete moment resisting frame (MRF), this article investigates numerically a new type of concrete frames with nano fiber reinforced polymer (NFRP) and shape memory alloy (SMA) hinges, simultaneously. The NFRP layer is containing carbon nanofibers with agglomeration based on Mori-Tanaka model. The tangential shear deformation (TASDT) is applied for modelling of the structure and the continuity boundary conditions are used for coupling of the motion equations. In SMA connections between beam and columns, since there is phase transformation, hence, the motion equations of the structure are coupled with kinetic equations of phase transformation. The Hernandez-Lagoudas theory is applied for demonstrating of pseudoelastic characteristics of SMA. The corresponding motion equations are solved by differential cubature (DC) and Newmark methods in order to obtain the peak ground acceleration (PGA) and residual drift ratio for MRF-2%. The main impact of this paper is to present the influences of the volume percent and agglomeration of nanofibers, thickness and length of the concrete frame, SMA material and NFRP layer on the PGA and drift ratio. The numerical results revealed that the with increasing the volume percent of nanofibers, the PGA is enhanced and the residual drift ratio is reduced. It is also worth to mention that PGA of concrete frame with NFRP layer containing 2% nanofibers is approximately equal to the concrete frame with steel bars.
Kalgutkar, Akshay Prakash;Banerjee, Sauvik;Rajanna, T.
Steel and Composite Structures
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v.42
no.4
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pp.427-446
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2022
Cutouts in the beams or plates are often unavoidable due to inspection, maintenance, ventilation, structural aesthetics purpose, and sometimes to lighten the structures. Therefore, there will be a substantial reduction in the strength of the structure due to the introduction of the cutouts. However, these cutouts can be reinforced with the different patterns of ribs (stiffener) to enhance the strength of the structure. The present study highlights the influence of the elliptical cutout reinforced with a different pattern of ribs on the stability performance of such stiffened composite panels subjected to non-uniform edge loads by employing the Finite element (FE) technique. In the present formulation, a 9-noded heterosis element is used to model the skin, and a 3-noded isoparametric beam element is used to simulate the rib that is attached around a cutout in different patterns. The displacement compatibility condition is employed between the plate and stiffener, and arbitrary orientations are taken care by introducing respective transformation matrices. The effect of shear deformation and rotary inertia are incorporated in the formulation. A new mesh configuration is developed to house the attached ribs around an elliptical cutout with different patterns. Initially, a study is performed on the panels with different stiffener schemes for various ply orientations and for different stiffener depth to width ratios (ds/bs) to determine an optimal stiffener configuration. Further, various parametric studies are conducted on an obtained optimal stiffened panel to understand the effect of cutout size, cutout orientation, panel aspect ratio, and boundary conditions. Finally, from the analysis, it can be observed that the arrangement of the stiffener attached to a panel has a major impact on the buckling capacity of the stiffened panel. The stiffener's depth to width ratio also significantly influences the buckling characteristic.
Ji, Hae Yeon;Ha, Jeong Gon;Kim, Min Kyu;Hahm, Dae Gi
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.5
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pp.181-190
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2022
In assessing the seismic safety of nuclear power plants, it is essential to analyze the structures using the observed ground motion. In particular, spatial variation in which the characteristics of the ground motion record differ may occur if the location is different within the site and even if the same earthquake is experienced. This study analyzed the spatial variation characteristics of the ground motion observed at the structure and site using the earthquake records measured at the Hamaoka nuclear power plant. Even if they were located on the same floor within the same unit, there was a difference in response depending on the location. In addition, amplification was observed in Unit 5 compared to other units, which was due to the rock layer having a slower shear wave velocity than the surrounding bedrock. Significant differences were also found in the records of the structure's foundation and the free-field surface. Based on these results, the necessity of considering spatial variation in the observed records was suggested.
This paper has focused on presenting vibration analysis of trapezoidal sandwich plates with 3D-graphene foam reinforced polymer matrix composites (GrF-PMC) core and FG wavy CNT-reinforced face sheets. The porous graphene foam possessing 3D scaffold structures has been introduced into polymers for enhancing the overall stiffness of the composite structure. Also, 3D graphene foams can distribute uniformly or non-uniformly in the plate thickness direction. The effective Young's modulus, mass density and Poisson's ratio are predicted by the rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The First-order shear deformation theory of plate is utilized to establish governing partial differential equations and boundary conditions for trapezoidal plate. The governing equations together with related boundary conditions are discretized using a mapping-generalized differential quadrature (GDQ) method in spatial domain. Then natural frequencies of the trapezoidal sandwich plates are obtained using GDQ method. Validity of the current study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. It is explicated that 3D-GrF skeleton type and weight fraction, carbon nanotubes (CNTs) waviness and CNT aspect ratio can significantly affect the vibrational behavior of the sandwich structure. The plate's normalized natural frequency decreased and the straight carbon nanotube (w=0) reached the highest frequency by increasing the values of the waviness index (w).
In HWAW method, experimental dispersion curve is obtained through time-frequency analysis, and inversion procedure is based on the forward modeling which considers full wavefield. Therefore, it enables us to use relatively short testing setup and has advantage for two dimensional subsurface imaging compared with another surface wave methods. Numerical study was performed to verify that the HWAW method can be applied to non-horizontally layerd soil structure. The experimental dispersion curves obtained from HWAW method agreed with the theoretical dispersion curves based on full wavefield. Experimental dispersion curves are mainly more affected by the region between two receivers than by the region from source to the first receiver. Fluctuation phenomena of dispersion curve can be reduced by adequate receiver spacing setup. From numerical study, it was thought that reliable Vs distribution map can be constructed by HWAW method and finally subsurface imaging was tried in the real field.
The Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology
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v.17
no.3
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pp.155-165
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2024
A hybrid thin film was prepared by doping reduced graphene oxide (rGO) into a sol-gel solution mixed with aluminum, titanium, and strontium using a brush coating method. The annealing temperature was carried out at 160, 260, and 360℃, and the difference in oxidation reaction was observed. The sol-gel solution created during the membrane manufacturing process generates a contractile force due to the shear stress of the brush bristles, forming a microgroove structure. This structure was confirmed through scanning electron microscopy analysis, and the presence of rGO was clearly revealed. As the annealing temperature increases, the oxidation and reduction reactions on the thin film surface become more active, so the intensity of the surface mixture increases. Moreover, the electro-optical properties were stabilized and improved by increasing the intensity of the mixtures. Likewise, the voltage-capacitance values are also significantly improved. Lastly, the transmittance measurement showed that it was suitable for liquid crystal display application.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.6
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pp.440-447
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2020
Masonry structures are used as bearing walls in small buildings, but they are generally considered non-bearing walls. They are used as partition walls that divide the interior spaces of the frame structures of buildings. In addition, wetting techniques that use mortar as an adhesive between blocks or bricks in construction are vulnerable to climatic conditions, especially cracks in mortar, which can cause conduction collapse of the walls in seismic loading. The purpose of this research was to propose a dry concrete block construction method that complements the weak axial shear stiffness and improves the weakness of the wet construction method as well as to investigate its structural behavior. In this study, the material properties of concrete blocks were examined, and the seismic performance of the proposed dry assembly structure was verified by structural behavior tests on horizontal cyclic loads. First, in these study results, concrete blocks can be applied to the dry block construction method instead of wet construction methods because they secure more than C-type blocks in KS regulations. Second, the structural performance of the wall against a horizontal cyclic load indicates that the resisting force of the assembly block wall is increased by increasing the horizontal length of the wall, forming several diagonal cracks. Finally, the proposed dry block wall structure requires a seismic performance assessment considering that the ratio of the shape of the wall by height and length is considered a major influence variable on the structural behavior under a horizontal load.
The structure and evolution of a thunderstorm outflow in two dimensions with no environmental wind are investigated using a cloud-resolving model with explicit liquid-ice phase microphysical processes (ARPS: Advanced Regional Prediction System). The turbulence structure of the outflow is explicitly resolved with a high-resolution grid size of 50m. The simulated single-cell storm and its associated Kelvin-Helmholtz (KH) billows are found to have the lift stages of development maturity, and decay. The secondary pulsation and splitting of convective cells resulted from interactions between cloud dynamics and microphysics are observed. The cooled downdrafts caused by the evaporation of rain and hail in the relatively dry lower atmosphere result in thunderstorm cold-air outflow. The outflow head propagates with almost constant speed. The KH billows formed by the KH instability cause turbulence mixing from the top of the outflow and control the structure of the outflow. Ihe KH billows are initiated at the outflow head, and pow and decay as moving rearward relative to the gust front. The numerical simulation results of the ratio of the horizontal wavelength of the fastest growing perturbation to the critical shear-layer depth and the ratio of the horizontal wavelength of the billow to its maximum amplitude are matched well with the results of other studies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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