Liu, Xiaoben;Zhang, Hong;Gu, Xiaoting;Chen, Yanfei;Xia, Mengying;Wu, Kai
Earthquakes and Structures
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v.12
no.3
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pp.321-332
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2017
The reverse fault is a dangerous geological hazard faced by buried steel pipelines. Permanent ground deformation along the fault trace will induce large compressive strain leading to buckling failure of the pipe. A hybrid pipe-shell element based numerical model programed by INP code supported by ABAQUS solver was proposed in this study to explore the strain performance of buried X80 steel pipeline under reverse fault displacement. Accuracy of the numerical model was validated by previous full scale experimental results. Based on this model, parametric analysis was conducted to study the effects of four main kinds of parameters, e.g., pipe parameters, fault parameters, load parameter and soil property parameters, on the strain demand. Based on 2340 peak strain results of various combinations of design parameters, a semi-empirical model for strain demand prediction of X80 pipeline at reverse fault crossings was proposed. In general, reverse faults encountered by pipelines are involved in 3D oblique reverse faults, which can be considered as a combination of reverse fault and strike-slip fault. So a compressive strain demand estimation procedure for X80 pipeline crossing oblique-reverse faults was proposed by combining the presented semi-empirical model and the previous one for compression strike-slip fault (Liu 2016). Accuracy and efficiency of this proposed method was validated by fifteen design cases faced by the Second West to East Gas pipeline. The proposed method can be directly applied to the strain based design of X80 steel pipeline crossing oblique-reverse faults, with much higher efficiency than common numerical models.
Lee, Deuck Hang;Hwang, Jin-Ha;Ju, Hyunjin;Kim, Kang Su
Computers and Concrete
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v.13
no.1
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pp.49-70
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2014
Steel fiber-reinforced concrete (SFRC) is known as one of the efficient modern composites that can greatly enhance the material performance of cracked concrete in tension. Such improved tensile resistance mechanism at crack interfaces in SFRC members can be heavily influenced by methodologies of treatments of crack direction. While most existing studies have focused on developing the numerical analysis model with the rotating-angle theory, there are only few studies on finite element analysis models with the fixed-angle model approach. According to many existing experimental studies, the direction of principal stress rotated after the formation of initial fixed-cracks, but it was also observed that new cracks with completely different angles relative to the initial crack direction very rarely occurred. Therefore, this study introduced the direct tension force transfer model (DTFTM), in which tensile resistance of the fibers at the crack interface can be easily estimated, to the nonlinear finite element analysis algorithm with the fixed-angle theory, and the proposed model was also verified by comparing the analysis results to the SFRC shear panel test results. The secant modulus method adopted in this study for iterative calculations in nonlinear finite element analysis showed highly stable and fast convergence capability when it was applied to the fixed-angle theory. The deviation angle between the principal stress direction and the fixed-crack direction significantly increased as the tensile stresses in the steel fibers at crack interfaces increased, which implies that the deviation angle is very important in the estimation of the shear behavior of SFRC members.
Bayraktar, Alemdar;Altunisk, Ahmet Can;Sevim, Baris;Turker, Temel
Steel and Composite Structures
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v.7
no.6
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pp.487-502
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2007
In recent decades there has been a trend towards improved mechanical characteristics of materials used in footbridge construction. It has enabled engineers to design lighter, slender and more aesthetic structures. As a result of these construction trends, many footbridges have become more susceptible to vibrations when subjected to dynamic loads. In addition to this, some inherit modelling uncertainties related to a lack of information on the as-built structure, such as boundary conditions, material properties, and the effects of non-structural elements make difficult to evaluate modal properties of footbridges, analytically. For these purposes, modal testing of footbridges is used to rectify these problems after construction. This paper describes an arch type steel footbridge, its analytical modelling, modal testing and finite element model calibration. A modern steel footbridge which has arch type structural system and located on the Karadeniz coast road in Trabzon, Turkey is selected as an application. An analytical modal analysis is performed on the developed 3D finite element model of footbridge to provide the analytical frequencies and mode shapes. The field ambient vibration tests on the footbridge deck under natural excitation such as human walking and traffic loads are conducted. The output-only modal parameter identification is carried out by using the peak picking of the average normalized power spectral densities in the frequency domain and stochastic subspace identification in the time domain, and dynamic characteristics such as natural frequencies mode shapes and damping ratios are determined. The finite element model of footbridge is calibrated to minimize the differences between analytically and experimentally estimated modal properties by changing some uncertain modelling parameters such as material properties. At the end of the study, maximum differences in the natural frequencies are reduced from 22% to only %5 and good agreement is found between analytical and experimental dynamic characteristics such as natural frequencies, mode shapes by model calibration.
Purpose: This study intends to develop a nonlinear cyclic plasticity damage model in the framework of finite element formulation, which is capable of taking large deformation effects into account, in order to accurately predict the hysteretic behavior of stainless steel structures. Method: The new cyclic constitutive equations that utilize the combined isotropic-kinematic hardening rule for plastic deformation is incorporated into the damage mechanic model in conjunction with the large strain formulation. The damage growth law is based on the experimental observations that the evolution of microvoids yields nonlinear damage accumulation with plastic deformation. The damage model parameters and the procedure for their identification are presented. Results and Conclusion: The proposed nonlinear damage model has been verified by simulating uniaxial strain-controlled monotonic and cyclic loading tests, and successfully applied to a thin-walled stainless steel pipe subjected to constant and alternating strain-controlled cyclic loadings.
Crack detection plays an important role in the maintenance and protection of steel box girder of bridges. However, since the cracks only occupy an extremely small region of the high-resolution images captured from actual conditions, the existing methods cannot deal with this kind of image effectively. To solve this problem, this paper proposed a novel three-stage method based on deep learning technology and morphology operations. The training set and test set used in this paper are composed of 360 images (4928 × 3264 pixels) in steel girder box. The first stage of the proposed model converted high-resolution images into sub-images by using patch-based method and located the region of cracks by CBAM ResNet-50 model. The Recall reaches 0.95 on the test set. The second stage of our method uses the Attention U-Net model to get the accurate geometric edges of cracks based on results in the first stage. The IoU of the segmentation model implemented in this stage attains 0.48. In the third stage of the model, we remove the wrong-predicted isolated points in the predicted results through dilate operation and outlier elimination algorithm. The IoU of test set ascends to 0.70 after this stage. Ablation experiments are conducted to optimize the parameters and further promote the accuracy of the proposed method. The result shows that: (1) the best patch size of sub-images is 1024 × 1024. (2) the CBAM ResNet-50 and the Attention U-Net achieved the best results in the first and the second stage, respectively. (3) Pre-training the model of the first two stages can improve the IoU by 2.9%. In general, our method is of great significance for crack detection.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.4A
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pp.267-279
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2009
A numerical model that can simulate the nonlinear behavior of ultra high strength fiber reinforced concrete (UHSFRC) structures subjected to monotonic loading is introduced. The material properties of UHSFRC, such as compressive and tensile strength or elastic modulus, are different from normal strength reinforced concrete. The uniaxial compressive stress-strain relationship of UHSFRC is designed on the basis of experimental result, and the equivalent uniaxial stress-strain relationship is introduced for proper estimation of UHSFRC structures. The steel is uniformly distributed over the concrete matrix with particular orientation angle. In advance, this paper introduces a numerical model that can simulate the tension-stiffening behavior of tension part of the axial member on the basis of the bond-slip relationship. The reaction of steel fiber is considered for the numerical model after cracks of the concrete matrix with steel fibers are formed. Finally, the introduced numerical model is validated by comparison with test results for idealized UHSFRC beams.
Koo, Min Se;Yoon, Wo Hyun;Lee, Ho Kyoung;Kim, Dae Hong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.15
no.2
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pp.125-135
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2003
A 3-dimensional model of curved steel box girder bridges without diaphragm was presented. This model yielded results that were consistent with those of the parameter analysis using the BEF and Ritz methods. Se veralmodels with diaphragms were analyzed to estimate the appropriate diaphragm spacing. In case of 50m span, models A-10, A-20, A-30, B-10, B-20, and B-30 were found to have 5(8.3m), 7(6.25m), 8(5.5m), 4(10m), 6(7.1m), and 7(6.25m) diaphragms, respectively. In addition, a formula that presents the ratio of distortional stress to bending stresswas created from the results of the 3-dimensional FEM model analysis.
This study was conducted to improve the design and construction technique of orthotropic steel-deck bridges. After conducting an F.E.M. analysis of the various rib types of the connection details, static and fatigue tests were conducted, using a three-dimensional, full-scaled, orthotropic, steel-deck-plate model with internal diaphrams, to check the fatigue strength depending on the types of details. The model structure was made of two types of longitudinal ribs: the domestic standard and the European rabbit types. The fatigue strength of the steel-deck system was found to have improved through the installation of an internal diaphram, as no cracks were found on the bottom round part of the scallop with a diaphram. There were no differences between the domestic and the European types of details in terms of strength may be partially influenced by the shape of the scallop and by the installation of an internal diaphram, but it can be improved more significantly according to the quality of the welding that will be done.
Low cyclic loading tests are conducted on the steel reinforced recycled concrete (SRRC) column-steel (S) beam composite frame joints. This research aims to evaluate the earthquake damage performance of composite frame joints by performing cyclic loading tests on eight specimens. The experimental failure process and failure modes, load-displacement hysteresis curves, characteristic loads and displacements, and ductility of the composite frame joints are presented and analyzed, which shows that the composite frame joints demonstrate good seismic performance. On the basis of this finding, seismic damage performance is examined by using the maximum displacement, energy absorbed in the hysteresis loops and Park-Ang model. However, the result of this analysis is inconsistent with the test failure process. Therefore, this paper proposes a modified Park-Ang seismic damage model that is based on maximum deformation and cumulative energy dissipation, and corrected by combination coefficient ${\alpha}$. Meanwhile, the effects of recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage and axial compression ratio on the seismic damage performance are analyzed comprehensively. Moreover, lateral displacement angle is used as the quantification index of the seismic performance level of joints. Considering the experimental study, the seismic performance level of composite frame joints is divided into five classes of normal use, temporary use, repair after use, life safety and collapse prevention. On this basis, the corresponding relationships among seismic damage degrees, seismic performance level and quantitative index are also established in this paper. The conclusions can provide a reference for the seismic performance design of composite frame joints.
Structural failures are undesirable events that devastate the construction industry resulting in loss of life, injury, huge property loss, and also affect the economy of the region. Roof truss failures occur mainly due to excessive loading, improper fabrication, deterioration, inadequate repair, etc. Although very rare, a roof truss may even fail due to inappropriate location of supports. One such case was reported from the recent failure of a steel roof truss used in an indoor stadium at Kargil in India. Kargil region, being mountainous in nature, receives heavy snowfall and hence the steel roof trusses are designed for heavy snow loads. Due to inappropriate support location, the indoor stadium's steel roof truss had failed under heavy snow load for which it was designed and became an interesting structural engineering problem. The failure observed was primarily in terms of yielding of the bottom chord under the supports, leading to partial collapse of the roof truss. This paper summarizes the results of laboratory tests and analytical studies that focused on the validation of the proposed remedial measure for rehabilitating this distressed steel roof truss. The study presents the evaluation of (i) significant reduction in strength and stiffness of the distressed truss resulting in its failure, (ii) desired recovery in both strength and stiffness of the rectified truss contributed by the proposed remedial measure. Three types of models i.e., ideal truss model, as build truss model and rectified truss model were fabricated and tested under monotonic loading. The structural configuration and support condition varied in all the three models to represent the ideal truss, distressed truss and the rectified truss. To verify the accuracy of the experimental results, an analytical study was carried out and the results of this analytical study are compared with the experimental ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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