In this paper, cantilevered tall structures are treated as cantilever bars with varying cross-section for the analysis of their free longitudinal (or axial) vibrations. Using appropriate transformations, exact analytical solutions to determine the longitudinal natural frequencies and mode shapes for a one step non-uniform bar are derived by selecting suitable expressions, such as exponential functions, for the distributions of mass and axial stiffness. The frequency equation of a multi-step bar is established using the approach that combines the transfer matrix procedure or the recurrence formula and the closed-form solutions of one step bars, leading to a single frequency equation for any number of steps. The Ritz method is also applied to determine the natural frequencies and mode shapes in the vertical direction for cantilevered tall structures with variably distributed stiffness and mass. The formulae proposed in this paper are simple and convenient for engineering applications. Numerical example shows that the fundamental longitudinal natural frequency and mode shape of a 27-storey building determined by the proposed methods are in good agreement with the corresponding measured data. It is also shown that the selected expressions are suitable for describing the distributions of axial stiffness and mass of typical tall buildings.
The complete moment-curvature curves of doubly reinforced concrete beams made of normal- or high-strength concrete have been evaluated using a newly developed analytical method that takes into account the stress-path dependence of the constitutive properties of the materials. From the moment-curvature curves and the strain distribution results obtained, the post-peak behavior and flexural ductility of doubly reinforced normal- and high-strength concrete beam sections are studied. It is found that the major factors affecting the flexural ductility of reinforced concrete beam sections are the tension steel ratio, compression steel ratio and concrete grade. Generally, the flexural ductility decreases as the amount of tension reinforcement increases, but increases as the amount of compression reinforcement increases. However, the effect of the concrete grade on flexural ductility is fairly complicated, as will be explained in the paper. Quantitative analysis of such effects has been carried out and a formula for direct evaluation of the flexural ductility of doubly reinforced concrete sections developed. The formula should be useful for the ductility design of doubly reinforced normal- and high-strength concrete beams.
A three-dimensional (3D) numerical analysis for the train-bridge interaction (TBI) system is actively developed in this study in order to investigate the vibration characteristics of rigid-frame reinforced concrete (RC) viaducts in both vertical and lateral directions respectively induced by running high-speed trains. An analytical model of the TBI system is established, in which the high-speed train is described by multi-DOFs vibration system and the rigid-frame RC viaduct is modeled with 3D beam elements. The simulated track irregularities are taken as system excitations. The numerical analytical algorithm is established based on the coupled vibration equations of the TBI system and verified through the detailed comparative study between the computation and testing. The vibration responses of the viaducts such as accelerations, displacements, reaction forces of pier bottoms as well as their amplitudes with train speeds are calculated in detail for both vertical and lateral directions, respectively. The frequency characteristics are further clarified through Fourier spectral analysis and 1/3 octave band spectral analysis. This study is intended to provide not only a simulation approach and evaluation tool for the train-induced vibrations upon the rigid-frame RC viaducts, but also instructive information on the vibration mitigation of the high-speed railway.
Composite beams using bolts to attach steel plates to the side faces of existing reinforced concrete (RC) coupling beams can enhance both their strength and deformability. The behavior of those composite beams differs substantially from the behavior of typical composite beams made up of steel beams and concrete slabs. The former are subjected to longitudinal, vertical and rotational slips, while the latter only involve longitudinal slip. In this study, a mixed analysis method was adopted to develop the fundamental equations for accurate prediction of the load-carrying capacity of steel plate strengthened RC coupling beams. Then, a rigid plastic analysis technique was used to cope with the full composite effect of the bolt group connections. Two theoretical models for the determination of the strength of medium-length plate strengthened coupling beams based on mixed analysis and rigid plastic methods are presented. The strength of the strengthened coupling beams is derived. The vertical and longitudinal slips of the steel plates and the shear strength of the anchor-bolt connection group is considered. The theoretical models are validated by the available experimental results presented in a companion paper. The strength of the specimens predicted from the mixed analysis model is found to be in good agreement with that from the experimental results.
This paper proposes penalty factor equations that take into consideration the weld strength over-match given in the classified form similar to the revised equations presented in the Code Case N-779 via cyclic elastic-plastic finite element analysis. It was found that the $K_e$ analysis data reflecting elastic follow-up can be consolidated by normalizing the primary-plus-secondary stress intensity ranges excluding the nonlinear thermal stress intensity component, $S_n$ to over-match degree of yield strength, $M_F$. For the effect of over-match on $K_n{\times}K_{\nu}$, dispersion of the $K_n{\times}K_{\nu}$ analysis data can be sharply reduced by dividing total stress intensity range, excluding local thermal stresses, $S_{p-lt}$ by $M_F$. Finally, the proposed equations were applied to the weld between the safe end and the piping of a pressurizer surge nozzle in pressurized water reactors in order to calculate a cumulative usage factor. The cumulative usage factor was then compared with those derived by the previous $K_e$ factor equations. The result shows that application of the proposed equations can significantly reduce conservatism of fatigue assessment using the previous $K_e$ factor equations.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.1
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pp.101-115
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2013
This paper examines the application of structural reliability analysis to submarine pressure hulls to clarify the merits of probabilistic approach in respect thereof. Ultimate strength prediction methods which take the inelastic behavior of ring-stiffened cylindrical shells and hemi-spherical shells into account are reviewed. The modeling uncertainties in terms of bias and coefficient of variation for failure prediction methods in current design guidelines are defined by evaluating the compiled experimental data. A simple ultimate strength formulation for ring-stiffened cylinders taking into account the interaction between local and global failure modes and an ultimate strength formula for hemispherical shells which have better accuracy and reliability than current design codes are taken as basis for reliability analysis. The effects of randomness of geometrical and material properties on failure are assessed by a prelimnary study on reference models. By evaluation of sensitivity factors important variables are determined and comparesons are made with conclusions of previous reliability studies.
The present research investigated the interaction among loading level, corrosion rate and flexural deflection of reinforced concrete beams. 10cm$\times$15cm$\times$110cm reinforced concrete beams were prepared and subjected to different levels of flexural loading, including 0%, 45% and 75% of the ultimate load. The beams with either a pre-load or a sustained load were also exposed to a laboratory environment with ponding and wetting/drying cycling at room temperature. Half cell potential and galvanized current measurements were taken to monitor corrosion process of reinforcing steel. After corrosion initiation, external current was applied to some of the beams to accelerate corrosion propagation. The beam deflections were recorded during the entire tests. The results indicate that loading level has significant effect on corrosion rate. The beams under a sustained load had much higher corrosion rate than the pre-loaded and then unloaded beams. Significant corrosion may result in an increase in beam deflection and affect serviceability of the structure. The present research may provide an insight into structural condition evaluation and service life predictions of reinforced concrete.
In this study, standard precipitation index- based analysis associated with run theory was performed using 53 years' (1967-2019) precipitation data to investigate the meteorological drought in Chuncheon. The duration of the meteorological drought in Chuncheon was 8.06 months, magnitude of the drought was -8.21, and average drought depth was -1.08. The drought in May 2014 lasted 21 months until January 2016; the drought scale and average depth was -34.06 and -1.62, respectively. This was the most severe drought in Chuncheon. As a result of drought frequency analysis, the drought scale of May to December in 2014 was estimated to be -16.16, and the return period was estimated to be 300 years. These results are expected to further increase the magnitude and frequency of weather droughts caused by climate change. Therefore, it is critical to prepare appropriate structural measures.
Kim, Hyang-Kon;Han, Woon-Ki;Gil, Hyung-Jun;Choi, Chung-Seog
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.07a
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pp.433-436
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2004
In this paper, we studied on the electrical safety evaluations of transformer insulation cover. In order to take preventive measures against an electric shock disaster in 22.9kV transformer installation, we put the insulation cover on a transformer charging parts. It needs to be designed so that the insulation covers have superior properties such as, arc-resistance, weather-resistance and heat-resistance, because they are used until the damage and destruction occur. To establish the protection cover to reduce the electrical shock, we analyzed damage mechanism and risk factors which happened by structural fault of an insulation cover in this paper. Also, based on the experimental results, we are planing to suggest new improved insulation cover models.
In the present study, an efficient method for the optimum design of three-dimensional (3D) steel framed structures is proposed. In this method, in addition to choosing the best position of columns based on architectural requirements, the optimum cross-sectional dimensions of elements are determined. The preliminary design variables are considered as the number of columns in structural plan, which are determined by a direct optimization method suitable for discrete variables, without requiring the evaluation of derivatives. After forming the geometry of structure, the main variables of the cross-sectional dimensions are evaluated, which satisfy the design constraints and also achieve the least-weight of the structure. To reduce the number of finite element analyses and the overall computational time, a new third order approximate function is introduced which employs only the diagonal elements of the higher order derivatives matrices. This function produces a high quality approximation and also, a robust optimization process. The main feature of the proposed techniques that the higher order derivatives are established by the first order exact derivatives. Several examples are solved and efficiency of the new approximation method and also, the proposed method for the best position of columns in 3D steel framed structures is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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