Traditionally used analytical approach to predict the fatigue failure of reinforced concrete (RC) structure is generally conservative and has certain limitations. The nonlinear finite element method (FEM) offers less expensive solution for fatigue analysis with sufficient accuracy. However, the conventional implicit dynamic analysis is very expensive for high level computation. Whereas, an explicit dynamic analysis approach offers a computationally operative modelling to predict true responses of a structural element under periodic loading and might be perfectly matched to accomplish long life fatigue computations. Hence, this study simulates the fatigue behaviour of RC beams with finite element (FE) assemblage presenting a simplified explicit dynamic numerical solution to show computer aided fatigue behaviour of RC beam. A commercial FEM package, ABAQUS has been chosen for this complex modelling. The concrete has been modelled as a 8-node solid element providing competent compression hardening and tension stiffening. The steel reinforcements are simulated as two-node truss elements comprising elasto-plastic stress-strain behaviour. All the possible nonlinearities are duly incorporated. Time domain analysis has been adopted through an automatic Newmark-β time incremental technique. The program consists of twelve RC beams to visualize the real behaviour during fatigue process and to obtain the reliability of the study. Both the numerical and experimental results indicate a redistribution of stresses along the time and damage accumulation of beam which severely affect the serviceability and ultimate capacity of RC beam. The output of the FEM analysis demonstrates good match with the experimental consequences which affirm the efficacy of the computer aided model. The controlled fatigue damage evolution at service fatigue load limits makes the FE model an efficient tool in predicting high cycle fatigue behaviour of RC structures.
Coupled thermo-mechanical analysis of reinforced concrete slab at elevated temperatures from a fire accounting for nonlinear thermal parameters is carried out. The main focus of the paper is put on a one-way continuous reinforced concrete slab exposed to fire from the single (bottom) side as the most typical working condition under fire loading. Although contemporary techniques alongside the fire protection measures are in constant development, in most cases it is not possible to avoid the material deterioration particularly nearby the exposed surface from a fire. Thereby the structural fire resistance of reinforced concrete slabs is mostly influenced by a relative distance between reinforcement and the exposed surface. A parametric study with variable concrete cover ranging from 15 mm to 35 mm is performed. As the first part of a one-way coupled thermo-mechanical analysis, transient nonlinear heat transfer analysis is performed by applying the net heat flux on the exposed surface. The solution of proposed heat analysis is obtained at certain time steps of interest by α-method using the explicit Euler time-integration scheme. Spatial discretization is done by the finite element method using a 1D 2-noded truss element with the temperature nodal values as unknowns. The obtained results in terms of temperature field inside the element are compared with available numerical and experimental results. A high level of agreement can be observed, implying the proposed model capable of describing the temperature field during a fire. Accompanying thermal analysis, mechanical analysis is performed in two ways. Firstly, using the guidelines given in Eurocode 2 - Part 1-2 resulting in the fire resistance rating for the aforementioned concrete cover values. The second way is a fully numerical coupled analysis carried out in general-purpose finite element software DIANA FEA. Both approaches indicate structural fire behavior similar to those observed in large-scale fire tests.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.6
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pp.533-539
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2009
In this study, the femur, the tibia, the articular cartilage and the menisci are three dimensionally reconstructed using MR images of healthy knee joint in full extension of 26-year-old male. Three dimensional finite element model of the knee joint is fabricated on the reconstructed model. Also, the FE models of ligaments and tendons are attached on the biologically suitable position of the FE model. Bones, articular cartilages and menisci are considered as homogeneous, isotropic and linear elastic materials, and ligaments and tendons are modeled as truss element and nonlinear elastic springs. The numerical results show the contact pressure and the von Mises stress distribution in the soft tissues such as articular cartilages and menisci which can be regarded as important parameters to estimate the failure of the tissues and the pain of the patients.
An improved method is presented to estimate the axial force of a bar member with vibrational measurements based on modified Timoshenko beam theory. Bending stiffness effects, rotational inertia, shear deformation, rotational inertia caused by shear deformation are all taken into account. Axial forces are estimated with certain natural frequency and corresponding mode shape, which are acquired from dynamic tests with five accelerometers. In the paper, modified Timoshenko beam theory is first presented with the inclusion of axial force and rotational inertia effects. Consistent mass and stiffness matrices for the modified Timoshenko beam theory are derived and then used in finite element simulations to investigate force identification accuracy under different boundary conditions and the influence of critical axial force ratio. The deformation coefficient which accounts for rotational inertia effects of the shearing deformation is discussed, and the relationship between the changing wave speed and the frequency is comprehensively examined to improve accuracy of the deformation coefficient. Finally, dynamic tests are conducted in our laboratory to identify progressive axial forces of a steel plate and a truss structure respectively. And the axial forces identified by the proposed method are in good agreement with the forces measured by FBG sensors and strain gauges. A significant advantage of this axial force identification method is that no assumption on boundary conditions is needed and excellent force identification accuracy can be achieved.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.5
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pp.501-507
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2009
By using topology and shape optimization, a theoretically optimum FRP deck was proposed. Firstly, a topologically optimal shape, truss-like structure without hinges, was found. A truss-shape frame is the most ideal structure when subjected to a concentrated force at the center of simply supported beam. An armature was found at the point joining horizontal chord and diagonal chord, which was used as a new design variable. Secondly, optimum value of each variable was decided through shape optimization using genetic algorithm. To compare it with existing commercial FRP decks, shape optimization was performed by fixing the height of FRP decks. To verify the performance of the FRP deck proposed in this study, a finite element analysis was performed. As a result, it satisfies serviceability and safety guide lines of FRP decks.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.2
s.233
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pp.262-269
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2005
Optimization of a satellite structure under severe space launching environments is performed considering various design constraints. Simulate annealing, one of combinatorial optimization techniques, is used to optimize the satellite. The optimization results by the simulated annealing are compared to those by the method of modified feasible direction and genetic algorithm. Ten bar truss structure is optimized for feasibility study of the simulated annealing. Finally, the satellite structure is optimized by the simulated annealing algorithm under space environment. Weights of the satellite upper platform and propulsion module are minimized with consideration of several static and dynamic constraints. MSC/NASTRAN is used to find the static and dynamic responses. Simulated annealing has been programmed and integrated with the finite element analysis program for optimization. It is shown that the simulated annealing algorithm can be extended to the optimization of space structures.
Min, Jin Ki;Kim, Hyeong Ki;Hong, Kyu Seon;Yun, Chung Bang
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.4
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pp.35-42
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1990
A method for the damage assessment of a structure by an inverse modal perturbation technique is studied. The first few natural frequencies and mode shapes of the damaged structure are assumed to be known. Then, the perturbation equation is formulated for the changes of the modal properties due to the stiffness changes. The stiffness changes due to damages are evaluated, using optimization techniques. Example analyses are carried out for several cases of stick models and a truss model. Results indicate that the present method yields very reasonable estimates for the element stiffness changes.
Kim, Nam-Su;Lee, Jeong-Jae;Yoon, Seong-Soo;Kim, Yoon-Soon
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.46
no.4
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pp.65-71
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2004
Stress Path Search Model of Evolutionary Structural Successive Optimization (SPSMESO) using Triangular Irregular Network(TIN) was developed for improving over burden at initial design of ESO and strict stress direction of strut-and-tie model and truss model. TIN was applied for discretizing structures in flexible stress path and segments of TIN was analyzed as one-dimensional line element for calculating stress. Finally, stress path was searched using ESO algorithm. SPSMESO was efficient to express the direction of stress for 2D structure and time saving.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.49
no.6
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pp.37-46
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2007
In designing the structure, the stress path is the basic data. But the stress path is not standardized to analysis the structure. So the one-dimensional frame element structure model with the triangle irregular network is used to solve the problem. And the refined evolutionary structural optimization(RESO) used in structural topology optimization is applied to this study. Through this process, the search method of the stress path is advanced and the burden of the calculation. is reduced.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.287-294
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1999
The tensegrity structure by prestressed cable, which may have large freedom in scale and form and therefore are received much attention from the view points of their light weight and aesthetics, is a very flexible and geometrically unstable structure because the cable material has little initial rigidity. For the stable self-equilibrated state of the usually very deformable structure, the method to find the optimal initial stress by the shape analysis is proposed in this paper. The proposed procedure is to derive the nonlinear finite element formula of cable and truss members considering geometric nonlinearity and used to modified load incremental method adding to Newton-Raphson method with the proposed condition for optimal initial stress. The result of the shape analysis for the tensegrity structure with the radius of 30m is shown the almost approximated shape to architectural shape and the changed procedure of initial stress
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[게시일 2004년 10월 1일]
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