Based on the ideas of variational differential quadrature (VDQ) and finite element method (FEM), a numerical approach named as VDQFEM is applied herein to study the large deformations of plate-type structures under static loading with arbitrary shape hole made of functionally graded graphene platelet-reinforced composite (FG-GPLRC) in the context of higher-order shear deformation theory (HSDT). The material properties of composite are approximated based upon the modified Halpin-Tsai model and rule of mixture. Furthermore, various FG distribution patterns are considered along the thickness direction of plate for GPLs. Using novel vector/matrix relations, the governing equations are derived through a variational approach. The matricized formulation can be efficiently employed in the coding process of numerical methods. In VDQFEM, the space domain of structure is first transformed into a number of finite elements. Then, the VDQ discretization technique is implemented within each element. As the last step, the assemblage procedure is performed to derive the set of governing equations which is solved via the pseudo arc-length continuation algorithm. Also, since HSDT is used herein, the mixed formulation approach is proposed to accommodate the continuity of first-order derivatives on the common boundaries of elements. Rectangular and circular plates under various boundary conditions with circular/rectangular/elliptical cutout are selected to generate the numerical results. In the numerical examples, the effects of geometrical properties and reinforcement with GPL on the nonlinear maximum deflection-transverse load amplitude curve are studied.
Constitutive modeling that could reasonably predict and effectively evaluate the post-peak structural behavior while eliminating the mesh-dependency in numerical simulation remains to be developed for general engineering applications. Based on the previous work, a simple one-dimensional modeling procedure is proposed to predict and evaluate the post-peak response, as characterized by the evolution of localized strain field, of a steel member to monotonically uniaxial tension. The proposed model extends the classic one-dimensional softening with localization model as introduced by (Schreyer and Chen 1986) to account for the localization length, and bifurcation and rupture points. The new findings of this research are as follows. Two types of strain-softening functions (bilinear and nonlinear) are proposed for comparison. The new failure criterion corresponding to the constitutive modeling is formulated based on the engineering strain inside the localization zone at rupture. Furthermore, a new mathematical expression is developed, based on the strain rate inside and outside the localization zone, to describe the displacement field at which bifurcation occurs. The model solutions are compared with the experimental data on four low-carbon cylindrical steel bars of different lengths. For engineering applications, the model solutions are also compared to the experimental data of a cylindrical steel bar system (three steel bars arranged in series). It is shown that the bilinear and nonlinear softening models can predict the energy dissipation in the post-peak regime with an average difference of only 4%.
The presented paper considers infill masonry walls' influence on the seismic reliability of precast concrete frames. The recent Bojnord earthquake on May 13th, 2017 in Iran (MW 5.4) illustrated that the infill masonry walls play a crucial role in the damage extent and life safety issues of inhabitants in the precast concrete buildings. The incremental dynamic analysis (IDA) approach was used to determine the fragility curves of the represented damaged precast frame. Then, by integrating site hazard and structural fragilities, the seismic reliability of the represented precast frame was evaluated in different damage limit states. Additionally, the static pushover analysis (SPA) approach was used to assess the seismic performance assessment of the precast frame. Bare and infilled frames were modeled as 2D frames employing the OpenSees software platform. The multi-strut macro-model method was employed for infill masonry simulation. Also, a relatively efficient and straightforward nonlinear model was used to simulate the nonlinear behavior of the precast beam-column joint. The outputs show that consideration of the masonry infilled wall effect in all spans of the structural frame leads to a decrease in the possibility of exceedance of specified damage limit states in the structures. In addition, variation of hazard curves for buildings with and without consideration of infilled walls leads to a decrease in the reliability of the building's frames with masonry infilled walls. Furthermore, the lack of infill walls in the first story significantly affects the precast concrete frame's seismic reliability and performance.
Using negative Poisson's ratio materials, an innovative metallic-yielding damper is introduced for the first time in this study. Through the use of ABAQUS commercial software, a nonlinear finite element analysis is conducted to determine the performance of the proposed system. Mild steel plates with elliptical holes are used for these types of dampers, which dissipate energy through an inelastic deformation of the constitutive material. To assess the capability of the proposed damper, nonlinear quasi-static finite element analyses have been conducted on the damper with a variety of geometric parameters. According to the results, the proposed system is ductile and has a high capacity to dissipate energy. The proposed auxetic damper has a specific energy absorption of 910.8 J/kg and a ductility of 33.6. Therefore, this damper can dissipate a large amount of earthquake input energy without buckling by increasing the buckling load of the brace with its ductile behavior. In addition, it was found that by incorporating auxetic dampers in the steel frame, the frame was made harder, stronger, and ductile and its energy absorption increased by 300%.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.2
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pp.75-86
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2019
The biggest obstacle in the nuclear power generation is the high level radioactive waste such as the spent nuclear fuel. High level radioactivities and generated heat make the safe treatment of the spent nuclear fuel very difficult. Nowadays, the only treatment method is a deep geological disposal technology. This paper treats the structural safe design problem of the spent nuclear fuel disposal canister which is one of the core technologies of the deep geological disposal technology. Especially, this paper executed the nonlinear structural analysis for the stresses and deformations occurring in the canister due to the impulsive force applied to the spent nuclear fuel disposal canister in the case of an accidental drop and ground impact event from the transportation vehicle in the repository. The main content of the analysis is about that the impulsive force is obtained using the commercial rigid body dynamic analysis computer code, RecurDyn, and the stress and deformation caused by this impulsive force are obtained using the commercial finite element static structural analysis computer code, NISA. The analysis results show that large stresses and deformations may occur in the canister, especially in the rid or the bottom of the canister, due to the impulsive force occurring during the collision impact period.
The progressive collapse phenomenon is generally regarded as dynamic. Due to the impracticality of nonlinear dynamic computations for practitioners, an interest arises for the development of equivalent static pushover procedures. The present paper proposes a methodology to identify such a procedure for sudden column removals, using energetic evaluations to determine the pushover loads to apply. In a dynamic context, equality between the cumulated external and internal works indicates a vanishing kinetic energy. If such a state is reached, the structure is sometimes assumed able to withstand the column removal. Approximations of these works can be estimated using a static computation, leading to an estimate of the displacements at the zero kinetic energy configuration. In comparison with other available procedures based on such criteria, the present contribution identifies loading patterns to associate with the zero-kinetic energy criterion to avoid a single-degree-of-freedom idealisation. A parametric study over a family of regular steel structures of varying sizes uses non-linear dynamic computations to assess the proposed pushover loading pattern for the cases of central and lateral ground floor column failure. The identified quasi-static loading schemes are shown to allow detecting nearly all dynamically detected plastic hinges, so that the various beams are provided with sufficient resistance during the design process. A proper accuracy is obtained for the plastic rotations of the most plastified hinges almost independently of the design parameters (loads, geometry, robustness), indicating that the methodology could be extended to provide estimates of the required ductility for the beams, columns, and beam-column connections.
The girder of self-anchored suspension bridge is subjected to large compression force applied by main cables. So, serious damage of the girder due to breakage of hangers may cause collapse of the whole bridge. With the time increasing, the hangers may break suddenly for their resistance capacities decrease due to corrosion. Using nonlinear static and dynamic analysis methods and adopting 3D finite element model, the responses of a concrete self-anchored suspension bridge to sudden breakage of hangers are studied in this paper. The results show that the sudden breakage of a hanger has significant effects on tensions of the hangers next to the broken hanger, bending and torsion moments of the girder, moments of the towers and reaction forces of the bearings. The results obtained from dynamic analysis method are very different from those obtained from static analysis method. The maximum tension of hanger produced by breakage of a hanger exceeds 2.2 times of its initial value, the maximum dynamic amplification factor reaches 2.54, which is larger than the value of 2.0 recommended for cable-stayed bridge in PTI codes. If two adjacent hangers on the same side of bridge break one after another, the maximum tension of other hangers exceeds 3.0 times of its initial value. If the safety factor adopted to design hanger is too small, or the hangers have been exposed to corrosion, the bridge may collapse due to breakage of two adjacent hangers.
Kim, Byeong Kil;Cho, Jae Ung;Jeong, Kwang Young;Kim, Nam Hoon;Oh, Bum S.;Hahn, Youngwon;Cheon, Seong S.
Composites Research
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v.29
no.3
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pp.91-97
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2016
In this paper, impulse-momentum theory was coupled to a constitutive equation both for implementing quasi-static and impact characteristics of EPP (Expanded polypropylene). Also, parameters which have physical meanings were expressed as functions of relative density. Simultaneous nonlinear Newton-Raphson method was applied to find the proper values for parameters in the constitutive equation along with quasi-static test data. Results from the impulse-momentum theory coupled constitutive equation showed good agreement with experimental data and the potential to be applied to different material type polymeric foam.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.39
no.3
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pp.72-82
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1997
In all inelastic deformations time rate effects are always present to some degree. Whether or not their exclusion has a significant influence on the prediction of the material behaviour depends upon several factors. In the study of structural components under static loading conditions at normal temperature it is accepted that time rate effects are generally not important. However metals, especially under high temperatures, exhibit simultaneously the phenomena of creep and viscoplasticity. In this study, elastoplastic and elasto-viscoplastic models include nonlinear geometrical effects were developed and several numerical examples are also included to verify the computer programming work developed here in this work. Comparisons of the calculated results, for the elasto-viscoplastic analysis of an internally pressurised thick cylinder under plane strain condition, have shown that the model yields excellent results. The results obtained from the numerical examples for an elasto-viscoplastic analysis of the Nuclear Reinforced Concrete Containment Structure(NRCCS) subjected to an incrementally applied internal pressure were summarized as follows : 1. The steady state hoop stress distribution along the shell layer of dome and dome wall junction part of NRCCS were linearly behave and the stress in interior surfaces was larger than that in exterior. 2.However in the upper part of the wall of NRCCS the steady state hoop stress in creased linearly from its inner to outer surfaces, being the exact reverse to the previous case of dome/dome-wall junction part. 3.At the lower part of wall of NRCCS, the linear change of steady state hoop stress along its wall layer began to disturb above a certain level of load increase.
This paper deals with optimal mooring system to secure fish cage in a desired location, Through field investigation and paper works, we surveyed disasters by breakdown of cage frame and mooring system due to higher wave attack and selected compliant buoy mooring method for shallow water mooring system against severe coastal external forces. To analyze interaction between external forces and compliant buoy mooring system, theoretical model has developed as quasi-static nonlinear analysis. After verifying the feasibility of the numerical model compared with experiment, static analysis has tried for various mooring systems with different angle of array, number of mooring points, length of horizontal and inclined rope. Optimal mooring method using compliant buoy has selected for fish cage through numerical simulation. This results can apply for preliminary design for cage mooring system.
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