Dimitraki, Lamprini S.;Christaras, Basile G.;Arampelos, Nikolas D.
Geomechanics and Engineering
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v.25
no.2
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pp.111-121
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2021
Large deformation and rapid pressure propagation take place inside the rock mass under the dynamic loads caused by the explosives, on quarry faces in order to extract aggregate material. The complexity of the science of rock blasting is due to a number of factors that affect the phenomenon. However, blasting engineering computations could be facilitated by innovative software algorithms in order to determine the results of the violent explosion, since field experiments are particularly difficult to be conducted. The present research focuses on the design of a Finite Element Analysis (FEA) code, for investigating in detail the behavior of limestone under the blasting effect of Ammonium Nitrate & Fuel Oil (ANFO). Specifically, the manuscript presents the FEA models and the relevant transient analysis results, simulating the blasting process for three types of limestone, ranging from poor to very good quality. The Finite Element code was developed by applying the Jones-Wilkins-Lee (JWL) equation of state to describe the thermodynamic state of ANFO and the pressure dependent Drucker-Prager failure criterion to define the limestone plasticity behavior, under blasting induced, high rate stress. A progressive damage model was also used in order to define the stiffness degradation and destruction of the material. This paper performs a comparative analysis and quantifies the phenomena regarding pressure, stress distribution and energy balance, for three types of limestone. The ultimate goal of this research is to provide an answer for a number of scientific questions, considering various phenomena taking place during the explosion event, using advanced computational tools.
In order to study the axial compression performance of basalt-fiber reinforced recycled concrete (BFRRC) filled circular steel tubular short columns, the axial compression performance tests of seven short column specimens were conducted to observe the mechanical whole-process and failure mode of the specimens, the load-displacement curves and the load-strain curves of the specimens were obtained, the influence of design parameters on the axial compression performance of BFRRC filled circular steel tubular short columns was analyzed, and a practical mathematical model of stiffness degradation and a feasible stress-strain curve equation for the whole process were suggested. The results show that under the axial compression, the steel tube buckled and the core BFRRC was crushed. The load-axial deformation curves of all specimens show a longer deformation flow amplitude. Compared with the recycled coarse aggregate (RCA) replacement ratio and the basalt fiber dosage, the BFRRC strength has a great influence on the peak bearing capacity of the specimen. The RCA replacement ratio and the BFRRC strength are detrimental to ductility, whereas the basalt fiber dosage is beneficial to ductility.
This paper presents a full-scale experimental test to investigate the flexural behavior of an innovative dovetail ultra-high performance concrete (UHPC) joint designed for the 5th Nanjing Yangtze River Bridge. The test specimen had a dimension of 3600 × 1600 × 170 mm, in accordance with the real bridge. The failure mode, crack pattern and structural response were presented. The ductility and stiffness degradation of the tested specimens were explicitly discussed. Test results indicated that different from conventional reinforced concrete slabs, well-distributed cracks with small spacing were observed for UHPC joint slabs at failure. The average nominal flexural cracking strength of the test specimens was 7.7 MPa, signifying good crack resistance of the proposed dovetail UHPC joint. It is recommended that high grade reinforcement be cooperatively used to take full advantage of the superior mechanical property of UHPC. A new ductility index, expressed by dividing the ultimate deflection by flexural cracking deflection, was introduced to evaluate the post-cracking ductility capacity. Finally, a strut-and-tie (STM) model was developed to predict the ultimate strength of the proposed UHPC joint.
An, Joon-Sang;Kim, Byung-Chan;Lee, Sang-Hyun;Song, Ki-Il
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.2
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pp.195-212
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2017
When back analysis is used for the assessment of an operating subsea tunnel safety in various measurement information such as stress, water pressure and tunnel lining and ground stiffness degradation, the reliable results within tolerable error rate can be obtained. By utilizing a commercial geotechnical analysis program FLAC3D, back analysis can be performed with a DEA which has already been successfully validated in previous studies. However, relative more time-consumption is the drawback of this approach. For this reason, this study introduced beam-spring model-based on FEM solver which uses less analysis time relatively. Beam-spring program capable of structural analysis of a circular tunnel section was developed by using Python language and combined with the built-DEA. From the measurement datum, expected to estimate the stability of an operation tunnel close to real-time.
Alkali-silica reaction (ASR) in concrete can induce degradation in its mechanical properties, leading to compromised serviceability and even loss in load capacity of concrete structures. Compared to other properties, ASR often affects the modulus of elasticity more significantly. Several empirical models have thus been established to estimate elastic modulus reduction based on the ASR expansion only for condition assessment and capacity evaluation of the distressed structures. However, it has been observed from experimental studies in the literature that for any given level of ASR expansion, there are significant variations on the measured modulus of elasticity. In fact, many other factors, such as cement content, reactive aggregate type, exposure condition, additional alkali and concrete strength, have been commonly known in contribution to changes of concrete elastic modulus due to ASR. In this study, an artificial intelligent model using artificial neural network (ANN) is proposed for the first time to provide an innovative approach for evaluation of the elastic modulus of ASR-affected concrete, which is able to take into account contribution of several influence factors. By intelligently fusing multiple information, the proposed ANN model can provide an accurate estimation of the modulus of elasticity, which shows a significant improvement from empirical based models used in current practice. The results also indicate that expansion due to ASR is not the only factor contributing to the stiffness change, and various factors have to be included during the evaluation.
To evaluate the flexural deformation and strength of composite motor case above the glass transition temperature$(T_g),\;170^{\circ}C$, of resin material, a finite element analysis(FEA) model in which material non-linearity and progressive failure mode were considered was proposed. The laminated flexural specimens which have the same lay-up and thickness as the composite motor case were tested by 4-point bending test to verify the validity of FEA model. Also. mechanical properties in high temperature were evaluated to obtain the input values for FEA. Because the material properties related to resin material were highly deteriorated in the temperature range beyond $T_g$, the flexural stiffness and strength of laminated flexural specimen in $200^{\circ}C$ were degraded by also $70\%\;and\;80\%$ in comparison with normal temperature results. Above $T_g$, the failure mode was changed from progressive failure mode initiated by matrix cracking at $90^{\circ}$ ply in bottom side and terminated by delamination at the center line of specimen to fiber compressive breakage mode at top side. From stress analysis, the progressive failure mechanism was well verified and the predicted bending stiffness and strength showed a good agreement with the test results.
A GA-based optimum design algorithm and a program for plane steel frame structures with semi-rigid connections are presented. The algorithm is incorporated with the refined plastic hinge analysis method wherein geometric nonlinearity is considered by using the stability functions of beam-column members, and material nonlinearity, by using the gradual stiffness degradation model that includes the effects of residual stresses, moment redistribution through the occurrence of plastic hinges, semi-rigid connections, and geometric imperfection of members. In the genetic algorithm, the tournament selection method and micro-GAs are employed. The fitness function for the genetic algorithm is expressed as an unconstrained function composed of objective and penalty functions. The objective and penalty functions are expressed as the weight of steel frames and the constraint functions, respectively. In particular, the constraint functions fulfill the requirements of load-carrying capacity, serviceability, ductility, and construction workability. To verify the appropriateness of the present method, the optimal design results of two plane steel frames with rigid and semi-rigid connections are compared.
The research study is focuses on a form of all-bolted joint with the external ring stiffening plate in the prefabricated steel structure. The components are bolted at site after being fabricated in the factory. Six specimens were tested under cyclic loading, and the effects of column axial compression ratio, concrete-filled column, beam flange sub plate, beam web angle cleats, and spliced column on the failure mode, hysteretic behavior and ductility of the joints were analyzed. The results shown that the proposed all-bolted joint with external ring stiffening plate performed high bearing capability, stable inflexibility degradation, high ductility and plump hysteretic curve. The primary failure modes were bucking at beam end, cracking at the variable section of the external ring stiffening plate, and finally welds fracturing between external ring stiffening plate and column wall. The bearing capability of the joints reduced with the axial compression ratio increased. The use of concrete-filled steel tube column can increase the bearing capability of joints. The existence of the beam flange sub plate, and beam web angle cleat improves the energy dissipation, ductility, bearing capacity and original rigidity of the joint, but also increase the stress concentration at the variable section of the external reinforcing ring plate. The proposed joints with spliced column also performed desirable integrity, large bearing capacity, initial stiffness and energy dissipation capacity for engineering application by reasonable design.
The principal objective of this study is to assess the hierarchical effects of defects on the elastic stiffness properties at different levels of observation. In particular, quantitative damage measures which characterize the fundamental mode of degradation in the form of elastic damage provide quite insightful meanings at the level of constitutive relations and at the level of structures. For illustration, a total of three model problems of increasing complexity, a 1-D bar structure, a 2-D stress concentration problem, and a heterogeneous composite material made of a matrix with particle inclusions. Considering a damage scenario for the particle inclusions the material system degrades from a composite with very stiff inclusions to a porous material with an intact matrix skeleton. In other damage scenario for the matrix, the material system degrades from a composite made of a very stiff skeleton to a disconnected assembly of particles because of progressive matrix erosion. The trace-back and forth of tight bounds in terms of the reduction of the lowest eigenvalues are extensively discussed at different levels of observation.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.3
no.1
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pp.55-66
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1999
This paper presents an analytical prediction of the hysteresis behavior of reinforced concrete long column with rectangular section under the cyclic loading state. The mechanical characteristic of cracked concrete and reinforcing bar in concrete has been modeled, considering the bond effect between reinforcing bar and concrete, the effect of aggregate interlocking at crack surface and the stiffness degradation after the crack has taken place. The strength increase of concrete due to the lateral confining reinforcement has been also taken into account to model the confined concrete. The formulation of these models for concrete and reinforcing bar has been based on the smeared crack concept that the stress-strain relationship of reinforced concrete element would be defined using the average values. In addition to the material nonlinear properties, the algorithm for large displacement problem that may give an additional deformation has been formulated using total Lagrangian formulation. The analytically predicted behavior was compared with test result and they showed good agreement in overall behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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