Singh, Gajbir;Rao, G. Venkateswara;Iyengar, N.G.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.3
no.2
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pp.121-133
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1995
It is well known that two-dimensional simplified third-order theories satisfy the layer interface continuity of transverse shear strains, thus these theories violate the continuity of transverse shear stresses when two consecutive layers differ either in fibre orientation or material. The third-order theories considered herein involve four/or five dependent unknowns in the displacement field and satisfy the condition of vanishing of transverse shear stresses at the bounding planes of the plate. The objective of this investigation is to examine (i) the flexural response prediction accuracy of these third-order theories compared to exact elasticity solution (ii) the effect of layer interface continuity conditions on the flexural response. To investigate the effect of layer interface continuity conditions, three-dimensional elasticity solutions are developed by enforcing the continuity of different combinations of transverse stresses and/or strains at the layer interfaces. Three dimensional twenty node solid finite element (having three translational displacements as degrees of freedom) without the imposition of any of the conditions on the transverse stresses and strains is also employed for the flexural analysis of the laminated plates for the purposes of comparison with the above theories. These shear deformation theories and elasticity approaches in terms of accuracy, adequacy and applicability are examined through extensive numerical examples.
This paper describes a smart structural system, which uses smart materials for real-time monitoring and active control of bolted-joints in steel structures. The goal of this research is to reduce the possibility of failure and the cost of maintenance of steel structures such as bridges, electricity pylons, steel lattice towers and so on. The concept of the smart structural system combines impedance based health monitoring techniques with a shape memory alloy (SMA) washer to restore the tension of the loosened bolt. The impedance-based structural health monitoring (SHM) techniques were used to detect loosened bolts in bolted-joints. By comparing electrical impedance signatures measured from a potentially damage structure with baseline data obtained from the pristine structure, the bolt loosening damage could be detected. An outlier analysis, using generalized extreme value (GEV) distribution, providing optimal decision boundaries, has been carried out for more systematic damage detection. Once the loosening damage was detected in the bolted joint, the external heater, which was bonded to the SMA washer, actuated the washer. Then, the heated SMA washer expanded axially and adjusted the bolt tension to restore the lost torque. Additionally, temperature variation due to the heater was compensated by applying the effective frequency shift (EFS) algorithm to improve the performance of the diagnostic results. An experimental study was conducted by integrating the piezoelectric material based structural health monitoring and the SMA-based active control function on a bolted joint, after which the performance of the smart 'self-monitoring and self-healing bolted joint system' was demonstrated.
In our country, domestic species can not be used as a structural member because we have not yet grading system. So, to utilize as a basic data of grading system, bending test and numerical modelling on structural member were conducted in this study. 35 of Douglas-fir, 2" ${\times}$ 6", span 2.4 m were tested for the bending properties, and Ansys software was used to analyze the numerical modelling on the structural members. The data of knots were inspected and applied in numerical modelling. To obtain the accuracy of analysis, nonlinear numerical analysis was carried out instead of linear numerical analysis. Ultimate load had a wide range from 4883N to 11,738 N, and maximum deformation also had a range from 26 mm to 68 mm. Average of ultimate load was 8,616 N, and that of maximum deformation was 48 mm. The distinctive features of failure types were simple tension type and cross-grain tension type. Ulitmate load and maximum deformation from numerical modelling were 7,504 N and 37 mm. The numerical modelling drawn by this study is available to all species, and reasonable prediction on the bending performance is possible with only some material properties.
Fedorik, Filip;Kala, Jiri;Haapala, Antti;Malaska, Mikko
Structural Engineering and Mechanics
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v.55
no.6
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pp.1121-1137
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2015
High powered computers and engineering computer systems allow designers to routinely simulate complex physical phenomena. The presented work deals with the analysis of two finite element method optimization techniques (First Order Method-FOM and Subproblem Approximation Method-SAM) implemented in the individual Design Optimization module in the Ansys software to analyze the behavior of real problems. A design optimization is a difficult mathematical process, intended to find the minimum or maximum of an objective function, which is mostly based on iterative procedure. Using optimization techniques in engineering designs requires detailed knowledge of the analyzed problem but also an ability to select the appropriate optimization method. The methods embedded in advanced computer software are based on different optimization techniques and their efficiency is significantly influenced by the specific character of a problem. The efficiency, robustness and accuracy of the methods are studied through strictly convex two-dimensional optimization problem, which is represented by volume minimization of two bars' plane frame structure subjected to maximal vertical displacement limit. Advantages and disadvantages of the methods are described and some practical tips provided which could be beneficial in any efficient engineering design by using an optimization method.
Offshore pipelines have to withstand combined actions of tension and bending during deepwater installation, which can possibly lead to elliptical buckle and even catastrophic failure of whole pipeline. A 2D theoretical model initially proposed by Kyriakides and his co-workers which carried out buckling response analysis of elastic-plastic tubes under various load combinations, is further applied to investigate buckling behavior of offshore pipelines under combined tension and bending. In association with practical pipe-laying circumstances, two different types of loadings, i.e., bent over a rigid surface in the presence of tension, and bent freely in the presence of tension, are taken into account in present study. In order to verify the accuracy of the theoretical model, numerical simulations are implemented using a 3D finite element model within the framework of ABAQUS. Excellent agreement between the results validates the effectiveness of this theoretical method. Then, this theoretical model is used to study the effects of some important factors such as load type, loading path, geometric parameters and material properties etc. on buckling behavior of the pipes. Based upon parametric studies, a few significant conclusions are drawn, which offer a theoretical reference for design and installation monitoring of deepwater pipelines.
Teixeira, P.F.;Ferreira, P.A.;Pita, A. Lopez;Casas, C.;Bachiller, A.
International Journal of Railway
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v.2
no.1
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pp.1-7
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2009
The development of structural solutions for high-speed or very high-speed tracks that minimize total life cycle costs of the system is a key issue to improve the operational profitability of new investments. In opposition to conventional ballasted tracks, slab track solutions can be a cost-effective solution, but only in the cases where the benefits due to the increase in track availability and the reduction of track maintenance offsets its much higher construction costs. In the cases where such investment is not feasible, it is worth to evaluate possible structural improvements to ballasted track that allow reducing its maintenance needs without increasing too much its construction costs. This paper evaluates the design requirements and the impact of improving conventional high-speed ballasted tracks by using a bituminous subballast layer. It is divided into two main parts: first the design requirements of the structural solutions with bituminous subballast and its possible benefits on high-speed track deterioration, and secondly the evaluation of the economic impact, in terms of construction costs, of using this structural solution material in future Spanish high-speed lines.
Serror, Mohammed H.;Soliman, Essam G.;Hassan, Ahmed F.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.4
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pp.385-397
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2017
Currently, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) plate bonding is used quite extensively as a strengthening method. In this technique, a composite CFRP plate or sheet of relatively small thickness is bonded with an adhesion material to steel or concrete structure in order to improve its structural behavior and strength. The sheets or plates do not require much space and give a composite action between the adherents. In this study, the rotation capacity of CFRP-strengthened cold-formed steel (CFS) beams has been evaluated through numerical investigation. Studies on different structural levels have been performed. At the beam level, C-section has been adopted with different values of profile thickness, web height, and flange width. At the connection level, a web bolted moment resistant type of connection using through plate has been adopted. In web-bolted connections without CFRP strengthening, premature web buckling results in early loss of strength. Hence, CFRP sheets and plates with different mechanical properties and geometric configurations have been examined to delay web and flange buckling and to produce relatively high moment strength and rotation capacity. The numerical results reveal that CFRP strengthening may increase strength, initial stiffness, and rotation capacity when compared with the case without strengthening.
In global competition manufacturing companies have to produce modern, new constructions from advanced materials in order to increase competitiveness. The aim of my research was to develop a new composite cellular plate structure, which can be primarily used for structural elements of road, rail, water and air transport vehicles (e.g. vehicle bodies, ship floors). The new structure is novel and innovative, because all materials of the components of the newly developed structure are composites (laminated Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) deck plates with pultruded Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) stiffeners), furthermore combines the characteristics of sandwich and cellular plate structures. The material of the structure is much more advantageous than traditional steel materials, due mainly to its low density, resulting in weight savings, causing lower fuel consumption and less environmental damage. In the study the optimal construction of a given geometry of a structural element of a road truck trailer body was defined by single- and multi-objective optimization (minimal cost and weight). During the single-objective optimization the Flexible Tolerance Optimization method, while during the multi-objective optimization the Particle Swarm Optimization method were used. Seven design constraints were considered: maximum deflection of the structure, buckling of the composite plates, buckling of the stiffeners, stress in the composite plates, stress in the stiffeners, eigenfrequency of the structure, size constraint for design variables. It was confirmed that the developed structure can be used principally as structural elements of transport vehicles and unit load devices (containers) and can be applied also in building construction.
Seismic performance analysis of steel-brace reinforced concrete (RC) frame using topology optimization in highly seismic region was discussed in this research. Topology optimization based on truss-like material model was used, which was to minimum volume in full-stress method. Optimized bracing systems of low-rise, mid-rise and high-rise RC frames were established, and optimized bracing systems of substructure were also gained under different constraint conditions. Thereafter, different structure models based on optimized bracing systems were proposed and applied. Last, structural strength, structural stiffness, structural ductility, collapse resistant capacity, collapse probability and demolition probability were studied. Moreover, the brace buckling was discussed. The results show that bracing system of RC frame could be derived using topology optimization, and bracing system based on truss-like model could help to resolve numerical instabilities. Bracing system of topology optimization was more effective to enhance structural stiffness and strength, especially in mid-rise and high-rise frames. Moreover, bracing system of topology optimization contributes to increase collapse resistant capacity, as well as reduces collapse probability and accumulated demolition probability. However, brace buckling might weaken beneficial effects.
When monitoring the structural integrity of a bridge using data collected through accelerometers, identifying the profile of the load exerted on the bridge from the vehicles passing over it becomes a crucial task. In this study, the speed and location of vehicles on the deck of a bridge is reconfigured using real-time video to implicitly associate the load applied to the bridge with the response from the bridge sensors to develop an image-based deep learning network model. Instead of directly measuring the load that a moving vehicle exerts on the bridge, the intention in the proposed method is to replace the correlation between the movement of vehicles from CCTV images and the corresponding response by the bridge with a neural network model. Given the framework of an input-output-based system identification, CCTV images secured from the bridge and the acceleration measurements from a cantilevered beam are combined during the process of training the neural network model. Since in reality, structural damage cannot be induced in a bridge, the focus of the study is on identifying local changes in parameters by adding mass to a cantilevered beam in the laboratory. The study successfully identified the change in the material parameters in the beam by using the deep-learning neural network model. Also, the method correctly predicted the acceleration response of the beam. The proposed approach can be extended to the structural health monitoring of actual bridges, and its sensitivity to damage can also be improved through optimization of the network training.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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