Yang Wang;Mingxing Zhu;Guoliang Dai;Jiang Xu;Jinbiao Wu
Geomechanics and Engineering
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제37권2호
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pp.167-178
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2024
The natural frequency shift under cyclic environmental loads is a key issue in the design of monopile-based offshore wind power turbines because of their dynamic sensitivity. Existing evidence reveals that the natural frequency shift of the turbine system in sand is related to the varying foundation stiffness, which is caused by soil deformation around the monopile under cyclic loads. Therefore, it is an urgent need to investigate the effect of soil deformation on the system frequency. In the present paper, three generalized geometric models that can describe soil deformation under two-way cyclic loads are proposed. On this basis, the cycling-induced changes in soil parameters around the monopile are quantified. A theoretical approach considering three-spring foundation stiffness is employed to calculate the natural frequency during cycling. Further, a parametric study is conducted to describe and evaluate the frequency shift characteristics of the system under different conditions of sand relative density, pile slenderness ratio and pile-soil relative stiffness. The results indicate that the frequency shift trends are mainly affected by the pile-soil relative stiffness. Following the relevant conclusions, a design optimization is proposed to avoid resonance of the monopile-based wind turbines during their service life.
해상풍력 구조물은 파랑, 바람, 조류 등에 의한 반복수평하중에 장기적으로 노출되기 때문에 기초구조물 설계 시 이에 대한 고려가 필수적이다. 모노파일(monopile)은 일반적으로 육상에서 사용하는 말뚝에 비해 직경이 큰 중공형 강관으로 설계법이 잘 정립되어 있으며 시공이 비교적 단순하고, 안정적으로 풍력 구조물을 지지할 수 있는 장점이 있어 전 세계적으로 널리 활용되고 있다. 해상풍력 모노파일의 횡방향 정적하중에 대한 거동 평가는 American Petroleum Institute(API)에서 제안하는 p-y 곡선법을 활용하는데, 해상풍력과 같이 반복수평하중에 장기간 노출되는 경우 대구경 모노파일에 대한 p-y 곡선법의 적용성을 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내 서남해안 지역의 대표지반 중 하나인 느슨한 실트질 모래지반에서 양방향(two-way) 반복수평하중을 받는 모노파일의 거동을 원심모형실험을 통해 평가하였다. 그 결과, 모노파일의 거동은 반복하중 크기, 반복하중 횟수, 반복하중의 방향에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 또한, API에서 제시하는 p-y 곡선법이 대구경 모노파일의 양방향 반복수평하중에 대한 거동을 과대평가하고 있음을 확인하였다.
Reinforced concrete(RC) column-bent piers represent one of the popular piers used in highway bridges of Korea. Seismic performance of RC column-bent piers under bi-directional seismic loadings was experimentally investigated. Six column bent piers were constructed with two circular supporting columns which were made in 400 mm diameter and 2,000 mm height. Test parameters are different transverse reinforcement ratio and loading pattern. Three specimens were loaded with bi-directional lateral forces which were main cyclic loads in the longitudinal direction and sub-cyclic loads in the transverse direction. Other three specimens were loaded in the opposite way. Test results indicated that lateral strength and ductility of the latter specimens were bigger than those of the former specimens. Plastic hinge was formed with the spall of cover concrete and the fracture of the longitudinal reinforcing steels in the bottom part of two supporting columns for the former three specimens. Similar behavior was observed in the top and bottom parts of two supporting columns for the latter three specimens.
최근에 해상 풍력발전기의 기초구조물로 석션 버켓기초가 적용되고 있다. 그런데, 석션기초는 보통 해양 연약지반에 설치되므로 장기 반복하중에 의해 누적변위가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 1-g 모형실험을 수행하여 장기 수평 반복하중을 받는 석션 버켓기초의 누적 회전각을 분석하였다. 지반조건은 2가지 밀도의 건조 사질토 지반에 대하여 실험하였다. 모형석션 버켓기초의 근입깊이, 모형지반의 밀도, 반복하중의 크기를 변화시키며 실험을 수행하였다. 수평 반복하중은 일방향 재하로 최대 $10^4$번까지 재하하였다. 실험결과, 석션 버켓기초의 누적회전각은 재하횟수와 재하진폭이 증가에 비례하여 증가하였다. 실험결과를 이용하여 건조 사질토 지반에 근입된 석션 버켓기초의 장기 누적회전각을 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.
In order to analyze the effect of the cyclic lateral loading on the response of a pile-soil system, a full-scale single steel pile was subjected to one-way cyclic loading. The test pile was driven into a bi-layered soil consisting of a normally consolidated saturated clay overlying a silty sandy layer, the site being submerged by water up to one meter above the mudline in order to reproduce the conditions of an offshore pile foundation. The aim of this paper is to present the main results of interpretation of the cyclic lateral tests in terms of pile deflections, bending moment, and cyclic P-Y curves. From these latter an absolute secant reaction modulus EAS,N was derived and a simple calculation model of the test single pile is proposed based on this modulus. Two applications of the proposed model are carried out, one with a 2D finite element modelling, and the second with a load transfer curves-based method.
RC column bent piers represent one of the most popular piers used in highway bridges. Seismic performance of reinforced concrete (RC) column-bent piers under bidirectional seismic loadings was experimentally investigated. Six column bent piers were constructed with two circular supporting columns. Test parameters are different transverse reinforcement and loading pattern. Three specimens were loaded with bidirectional lateral forces which were main cyclic loads in the longitudinal direction and subcyclic loads in the transverse direction. Other three specimens were loaded in the opposite way. Test results indicated that lateral strength and ductility of the latter specimens were bigger than those of the former specimens. Plastic hinge was formed with the spall of cover concrete and the fracture of the longitudinal reinforcing steels in the bottom part of two supporting columns for the former three specimens. Similar behavior was observed in the top and bottom parts of two supporting columns for the latter three specimens.
The effectiveness of the use of modern repair schemes for the seismic retrofit of existing RC structures were assessed on a comparative experimental study of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips and sheets for the repair of reinforced concrete members of RC frames, damaged because of cyclic loading. Two virgin, single - story, one - bay, 1/3 - scale frame specimens were tested under cyclic horizontal loading, up to a drift level of 4%. Then, virgin specimens, B and F, respectively, were repaired and retested in the same way. One, specimen RB, was repaired with epoxy injections and CFRP strips and one, specimen RF, was repaired with epoxy injections and CFRP sheets. The two specimens are used to examine the differences between the structural behavior of frames repaired using CFRP strips and frames repaired using CFRP sheets. Both qualitative and quantitative conclusions, based on the observed maximum loads, loading and reloading stiffness, hysteretic energy absorption and failure mechanisms are presented and compared. The repaired frames recovered their strength, stiffness and energy dissipated reasonably. The use of CFRP sheets was found more effective than CFRP strips, due to the proper anchorage.
Objective: To analyze the fatigue resistance, debonding force, and failure type of fiber-reinforced composite, polyethylene ribbon-reinforced, and braided stainless steel wire lingual retainers in vitro. Methods: Roots of human mandibular central incisors were covered with silicone, mimicking the periodontal ligament, and embedded in polymethylmethacrylate. The specimens (N = 50), with two teeth each, were randomly divided into five groups (n = 10/group) according to the retainer materials: (1) Interlig (E-glass), (2) everStick Ortho (E-glass), (3) DentaPreg Splint (S2-glass), (4) Ribbond (polyethylene), and (5) Quad Cat wire (stainless steel). After the recommended adhesive procedures, the retainers were bonded to the teeth by using flowable composite resin (Tetric Flow). The teeth were subjected to 10,00,000 cyclic loads (8 Hz, 3 - 100 N, $45^{\circ}$ angle, under $37{\pm}3^{\circ}C$ water) at their incisoproximal contact, and debonding forces were measured with a universal testing machine (1 mm/min crosshead speed). Failure sites were examined under a stereomicroscope (${\times}40$ magnification). Data were analyzed by one-way analysis of variance. Results: All the specimens survived the cyclic loading. Their mean debonding forces were not significantly different (p > 0.05). The DentaPreg Splint group (80%) showed the highest incidence of complete adhesive debonding, followed by the Interlig group (60%). The everStick Ortho group (80%) presented predominantly partial adhesive debonding. The Quad Cat wire group (50%) presented overlying composite detachment. Conclusions: Cyclic loading did not cause debonding. The retainers presented similar debonding forces but different failure types. Braided stainless steel wire retainers presented the most repairable failure type.
Papadopoulos, Panikos K.;Salonikios, Thomas N.;Dimitrakis, Stergios A.;Papadopoulos, Alkis P.
Structural Engineering and Mechanics
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제46권4호
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pp.487-504
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2013
In the present work a new friction device, with a set of single or double rotational friction flanges and a link element, is described and tested. The mechanism may be applied for the strengthening of existing r/c or steel buildings as well as in new constructed buildings. The device has selectable variable behavior in different levels of displacement and an interlock mechanism that is provided by the link element. The link element may be designed to lock at preselected level of displacement, offering in this way an extra safety reserve against strong earthquakes. A summary of the existing literature about other similar mechanisms is initially presented in this paper. The proposed mechanism is presented and described in details. Laboratory experiments are presented in detail and the resulted response that proves the efficiency of the mechanism at selectable levels of strength capacity is discussed. Drawings of the mechanism attached to a r/c frame with connection details are also included. Finally a dynamic analysis of two r/c frames, with and without the proposed mechanism attached, is performed and the resulted response is given. The main conclusion is that the proposed mechanism is a cheap and efficient devise for the improvement of the performance of new or existing framed buildings to seismic loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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