Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.7
no.1
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pp.37-49
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2005
In a tunnel, failure of its supports can cause failure of the tunnel. Therefore it is important to estimate safety factor of the tunnel which the failure of its supports is taken into account. In previous studies, supports of tunnels were usually modelled as beam elements. The failure of the supports was decided by comparing the allowable stress and the calculated bending stresses inside the beam elements in estimating safety factor of the tunnel considering the failure of its supports. In this study, it is suggested how to model the supports properly. To this end, supports of a tunnel were modelled by both beam (elastic) elements and continuum (elasto-plastic) elements in two dimensional numerical analyses. Meanwhile, it was analyzed how rock mass class, coefficient of lateral pressure, shotcrete thickness, the existence of rock bolt, and excavation method had an effect on the safety factor of a tunnel.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.12
no.3
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pp.25-37
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1992
A nonlinear finite element formulation which has the capability of handling very large geometrical changes is presented. The formulation is based on an updated material reference frame and hence true stress-strain test can be directly applied to properly characterize properties of materials which are subjected to very large deformation. For the large deformation, a consistent formulation based on the continuum mechanics approach is derived. The kinematics is referred to an updated material frame. Body equilibrium is also established in an updated geometry and the second Piola-Kirchhoff stress and the updated Lagrangian strain tensor are used in the formulation. Numerical examples for very large deformation of framed structures and plane solids are analyzed for verification purposes. The numerical solutions are obtained by an incremental numerical procedure. The importance of handing material properties properly is also demonstrated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.1
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pp.31-41
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2010
This paper presents both numerical and physical modeling approaches for the dilation and spalling of rock recognized as typical process of rock around an underground opening at depth. For physical approach, laboratory testing of rectangular beams using a synthetic rock was used to investigate the onset of dilation and spalling. The beams are axially compressed and subjected to 4-point bending to provide non-uniform compressive stresses which are similar to the maximum tangential stress distribution around circular openings. Discrete element numerical analyses using commercial code $PFC^{2D}$ (Particle Flow Code) were performed to evaluate the stress path at various locations in the beams. The findings from these approaches suggest that the onset of dilation in laboratory tests appears to be a good indicator for assessing the stress magnitudes required to initiate spalling.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.2
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pp.131-138
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2008
Fiber-reinforced polymer (FRP) sheets have been successfully used to retrofit a number of existing concrete buildings and structures because of their excellent properties (high strength, light weight and high durability). Bond characteristics between FRP sheets and concrete should be investigated to ensure an effective retrofitting system. RC structures strengthened with FRP sheets are often subjected to cyclic load (traffic, seismic, temperature, etc.). This research addresses a local bond stress-slip relationship under cyclic loading conditions for the FRP-concrete interface. 18 specimens were prepared with three types of FRP sheets (aramid, carbon, and polyacetal) and two types of sheet layer(one or two). The characteristics of bond stress-slip were verified through experimental results on load-displacement relationship.
Concrete contains numerous microcracks at initially poured. The growth and propagation of
nicrockacsk are believed tc finally incur the faiure of concrete. These processings are understood
as a damage. Damage IS represented as a second-order tensor and crack is treated as a con
tinuum phenomenon. In this paper, damage is characterized through the effective stress concept
together with the hypothesis of elastic energy equivalence, and damage evolution law and
constitutive equation of a damage model are derived by using the Helmholtz frte eriergy and the
dissipation potential by means of the thermodynamic principles. The constitutive equation of the
model includes the effects of elasticity, anisotropic damage and plasticity of concrete. There are
two effective tangent stiffness tensors in this model : one is for elastic-darnage and the other for
plastic damage. For the verification of the model, finite element analysis was performed for the
analysis of concrete subjec:t to uniaxial and biaxial loading and the results obtained were
compared with test results.
Kim, Hyung-Min;Lee, Su-gon;Lee, Byok-Kyu;Woo, Jae-Gyung;Hur, Ik;Lee, Jun-Ki
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.35
no.5
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pp.5-19
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2019
Considering the natural phenomenon in which steep slopes ($65^{\circ}{\sim}85^{\circ}$) consisting of rock mass remain stable for decades, slopes steeper than 1:0.5 (the standard of slope angle for blast rock) may be applied in geotechnical conditions which are similar to those above at the design and initial construction stages. In the process of analysing the stability of a good to fair continuum rock slope that can be designed as a steep slope, a general method of estimating rock mass strength properties from design practice perspective was required. Practical and genealized engineering methods of determining the properties of a rock mass are important for a good continuum rock slope that can be designed as a steep slope. The Genealized Hoek-Brown (H-B) failure criterion and GSI (Geological Strength Index), which were revised and supplemented by Hoek et al. (2002), were assessed as rock mass characterization systems fully taking into account the effects of discontinuities, and were widely utilized as a method for calculating equivalent Mohr-Coulomb shear strength (balancing the areas) according to stress changes. The concept of calculating equivalent M-C shear strength according to the change of confining stress range was proposed, and on a slope, the equivalent shear strength changes sensitively with changes in the maximum confining stress (${{\sigma}^{\prime}}_{3max}$ or normal stress), making it difficult to use it in practical design. In this study, the method of estimating the strength properties (an iso-angle division method) that can be applied universally within the maximum confining stress range for a good to fair continuum rock mass slope is proposed by applying the H-B failure criterion. In order to assess the validity and applicability of the proposed method of estimating the shear strength (A), the rock slope, which is a study object, was selected as the type of rock (igneous, metamorphic, sedimentary) on the steep slope near the existing working design site. It is compared and analyzed with the equivalent M-C shear strength (balancing the areas) proposed by Hoek. The equivalent M-C shear strength of the balancing the areas method and iso-angle division method was estimated using the RocLab program (geotechnical properties calculation software based on the H-B failure criterion (2002)) by using the basic data of the laboratory rock triaxial compression test at the existing working design site and the face mapping of discontinuities on the rock slope of study area. The calculated equivalent M-C shear strength of the balancing the areas method was interlinked to show very large or small cohesion and internal friction angles (generally, greater than $45^{\circ}$). The equivalent M-C shear strength of the iso-angle division is in-between the equivalent M-C shear properties of the balancing the areas, and the internal friction angles show a range of $30^{\circ}$ to $42^{\circ}$. We compared and analyzed the shear strength (A) of the iso-angle division method at the study area with the shear strength (B) of the existing working design site with similar or the same grade RMR each other. The application of the proposed iso-angle division method was indirectly evaluated through the results of the stability analysis (limit equilibrium analysis and finite element analysis) applied with these the strength properties. The difference between A and B of the shear strength is about 10%. LEM results (in wet condition) showed that Fs (A) = 14.08~58.22 (average 32.9) and Fs (B) = 18.39~60.04 (average 32.2), which were similar in accordance with the same rock types. As a result of FEM, displacement (A) = 0.13~0.65 mm (average 0.27 mm) and displacement (B) = 0.14~1.07 mm (average 0.37 mm). Using the GSI and Hoek-Brown failure criterion, the significant result could be identified in the application evaluation. Therefore, the strength properties of rock mass estimated by the iso-angle division method could be applied with practical shear strength.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.5
no.4
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pp.9-14
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1985
In this research mass of a plane strain two dimensional elastic concrete dam under gravitational and hydrostatic loads is minimized, through shape optimization of the dam cross section. Cross sectional area of the dam is taken as cost function of the optimization problem while constraints on the principal stress distribution and dam thickness are imposed. Shape of the boundary of the model is chosen as design variable. Variational formulation of the optimization problem, the material derivative idea of continuum mechanics, and an adjoint variable method are employed for the shape design sensitivity calculation. Then the gradient projection algorithm is utilized to obtain an optimum design iteratively. Research results fully demonstrate that the theory and procedure adopted are quite efficient and can be applicable to a wide class of practical elastic structural design problems.
Rocks are composed of the discrete elements of microstructures such as different grains and microcracks. The studies of these microstructures are of increasing interest in engineering geology and civil engineering related to construction of a deep under-ground space. Accordingly, instead of a simplified continuum approach, discrete structural elements and mechanical properties of various grains must be accounted. But it is difficult to analyse crack and discontinuity surfaces in Euclidean geometry. So, Mandelbrot( 1983) developed fractal theory to manage irregular body in nature. In this study, geometrical properties of microstructures to estimate a relation between crack propagation and stress were calculated. Then it is shown that fractal theory can be applied to research real mechanical behavior of rocks.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.3
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pp.255-263
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2005
This paper proposes an efficient boundary-based technique for the shape design sensitivity analysis in various disciplines. An analytical sensitivity formula in the form of a boundary integral is derived based on the continuum formulation for a general functional defined in the problems. The formula can be conveniently used for gradient computation in a variety of shape design problems. The advantage of using a boundary-based method is that the shape variation vectors are needed only on the boundary, not over the whole domain. The boundary shape variation vectors are conveniently computed by using finite. Perturbations of the shape geometry instead of complex analytical differentiation of the geometry functions. The potential flow problems and fillet problem are chosen to illustrate the efficiency of the proposed methodology.
In this paper the kinematics of damage for finite elastoplastic deformations is introduced using the fourth-order damage effect tensor through the concept of the effective stress within the framework of continuum damage mechanics. Unlike the approach of strain equivalence or energy equivalence, which is applicable only to small strains, the proposed kinematic description provides a relation between the effective strain and the damage elastoplastic strain in finite deformation. This is accomplished by directly considering the kinematics of the deformation field both real configuration. The proposed approach shows that it is equivalent to the hypothesis of energy equivalence at finite strains. The damage effect tensor in this work is explicitly characterized in terms of a kinematic measure of damage in the elastoplastic domain through a second-order damage tensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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