PURPOSES : The piezoelectric energy road analysis technology using a three-dimensional finite element method was developed to investigate pavement behaviors when piezoelectric energy harvesters and a new polyurethane surface layer were installed in field conditions. The main purpose of this study is to predict the long-term performance of the piezoelectric energy road through the proposed analytical steps. METHODS : To predict the stresses and strains of the piezoelectric energy road, the developed energy harvesters were embedded into the polyurethane surface layer (50 mm from the top surface). The typical type of triaxial dump truck loading was applied to the top of each energy harvester. In this paper, a general purpose finite element analysis program called ABAQUS was used and it was assumed that a harvester is installed in the cross section of a typical asphalt pavement structure. RESULTS : The maximum tensile stress of the polyurethane surface layer in the initial fatigue model occurred up to 0.035 MPa in the transverse direction when the truck tire load was loaded on the top of each harvester. The maximum tensile stresses were 0.025 MPa in the intermediate fatigue model and 0.013 MPa in the final fatigue model, which were 72% and 37% lower than that of the initial stage model, respectively. CONCLUSIONS : The main critical damage locations can be estimated between the base layer and the surface layer. If the crack propagates, bottom-up cracking from the base layer is the main cracking pattern where the tensile stress is higher than in other locations. It is also considered that the possibility of cracking in the top-down direction at the edge of energy harvester is more likely to occur because the material strength of the energy harvester is much higher and plays a role in the supporting points. In terms of long-term performance, all tensile stresses in the energy harvester and polyurethane layer are less than 1% of the maximum tensile strength and the possibility of fatigue damage was very low. Since the harvester is embedded in the surface layer of the polyurethane, which has higher tensile strength and toughness, it can assure a good, long-term performance.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.23
no.4
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pp.313-325
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2011
Finite element grid system using h-refinement on the Yellow Sea was constructed based on previous study (Suh, 1999b) from 14 K to 210 K and special attention was concentrated on refining the coastal zone. In grid generation, depth change between adjacent points and non-dimensional tidal wave length ratio were considered. As a result approximately a quarter of the total nodes are located nearby 5 m of shallow area. Accurate bathymetry data using 30's and ETOPO1 with open boundary conditions of 8 major tidal constituents extracted automatically from FES2004 have been applied. In tidal simulation a 3-dimensional nonlinear harmonic model was setup and tidal amplification due to changes in vertical turbulent and bottom friction were simulated. In this study not only 8 major tidal constituents but also nonlinear shallow tides $M_4,$, $MS_4$ and long period $M_f,$, $M_{sf}$ were reproduced. It is found that implication of spatial variation of friction coefficient plays a very important role in reproduction of astronomical and shallow tides which are computed by iterative computation of nonlinear terms. Also it should be considered differently with respect to tidal periods. To understand the distribution of tidal asymmetry, amplitude ratio of $M_4/M_2$ and phase differences $2g(M_2)-g(M_4)$ were calculated. Tidal distortion ratio marks up to 0.2 on the west coast showing shallow coastal characteristics and somewhat wide range of ebb-dominances in front of Mokpo area are reproduced.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.6
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pp.152-161
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2023
In general, large-capacity hydrogen storage vessels, typically in the form of vertical cylindrical vessels, are constructed using steel materials. These vessels are anchored to foundation slabs that are specially designed to suit the environmental conditions. This anchoring method involves pre-installed anchors on top of the concrete foundation slab. However, it's important to note that such a design can result in concentrated stresses at the anchoring points when external forces, such as seismic events, are at play. This may lead to potential structural damage due to anchor and concrete damage. For this reason, in this study, it selected an vertical hydrogen storage vessel based on site observations and created a 3D finite element model. Artificial seismic motions made following the procedures specified in ICC-ES AC 156, as well as domestic recorded earthquakes with a magnitude greater than 5.0, were applied to analyze the structural behavior and performance of the target structures. Conducting experiments on a structure built to actual scale would be ideal, but due to practical constraints, it proved challenging to execute. Therefore, it opted for an analytical approach to assess the safety of the target structure. Regarding the structural response characteristics, the acceleration induced by seismic motion was observed to amplify by approximately ten times compared to the input seismic motions. Additionally, there was a tendency for a decrease in amplification as the response acceleration was transmitted to the point where the centre of gravity is located. For the vulnerable components, specifically the sub-system (support columns and anchorages), the stress levels were found to satisfy the allowable stress criteria. However, the concrete's tensile strength exhibited only about a 5% margin of safety compared to the allowable stress. This indicates the need for mitigation strategies in addressing these concerns. Based on the research findings presented in this paper, it is anticipated that predictable load information for the design of storage vessels required for future shaking table tests will be provided.
Park, Hae Won;Shim, Cha Sang;Lim, Jin Seon;Joe, Nam Hyun;Jeong, Jin Hoon
International Journal of Highway Engineering
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v.19
no.6
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pp.67-74
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2017
PURPOSES : In this study, a three-dimensional nonlinear finite element analysis (FEA) model for airport concrete pavement was developed using the commercial program ABAQUS. Users can select an analysis method and set the range of input parameters to reflect actual conditions such as environmental loading. METHODS : The geometrical shape of the FEA model was chosen by considering the concrete pavement located in the third-stage construction site of Incheon International Airport. Incompatible eight-node elements were used for the FEA model. Laboratory test results for the concrete specimens fabricated at the construction site were used as material properties of the concrete slab. The material properties of the cement-treated base suggested by the Federal Aviation Administration(FAA) manual were used as those of the lean concrete subbase. In addition, preceding studies and pavement evaluation reports of Incheon International Airport were referred for the material properties of asphalt base and subgrade. The kinetic friction coefficient between the concrete slab and asphalt base acquired from a preceding study was used for the friction coefficient between the layers. A nonlinear temperature gradient according to slab depth was used as an input parameter of environmental loading, and a quasistatic method was used to analyze traffic loading. The average load transfer efficiency obtained from an Heavy falling Weight Deflectomete(HWD) test was converted to a spring constant between adjacent slabs to be used as an input parameter. The reliability of the FEA model developed in this study was verified by comparing its analysis results to those of the FEAFAA model. RESULTS : A series of analyses were performed for environmental loading, traffic loading, and combined loading by using both the model developed in this study and the FEAFAA model under the same conditions. The stresses of the concrete slab obtained by both analysis models were almost the same. An HWD test was simulated and analyzed using the FEA model developed in this study. As a result, the actual deflections at the center, mid-edge, and corner of the slab caused by the HWD loading were similar to those obtained by the analysis. CONCLUSIONS : The FEA model developed in this study was judged to be utilized sufficiently in the prediction of behavior of airport concrete pavement.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.26
no.3
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pp.174-183
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2014
Seabed beneath and near coastal structures may undergo large excess pore water pressure composed of oscillatory and residual components in the case of long durations of high wave loading. This excess pore water pressure may reduce effective stress and, consequently, the seabed may liquefy. If liquefaction occurs in the seabed, the structure may sink, overturn, and eventually increase the failure potential. In this study, to evaluate the liquefaction potential on the seabed, numerical analysis was conducted using the expanded 2-dimensional numerical wave tank to account for an irregular wave field. In the condition of an irregular wave field, the dynamic wave pressure and water flow velocity acting on the seabed and the surface boundary of the composite breakwater structure were estimated. Simulation results were used as input data in a finite element computer program for elastoplastic seabed response. Simulations evaluated the time and spatial variations in excess pore water pressure, effective stress, and liquefaction potential in the seabed. Additionally, the deformation of the seabed and the displacement of the structure as a function of time were quantitatively evaluated. From the results of the analysis, the liquefaction potential at the seabed in front and rear of the composite breakwater was identified. Since the liquefied seabed particles have no resistance to force, scour potential could increase on the seabed. In addition, the strength decrease of the seabed due to the liquefaction can increase the structural motion and significantly influence the stability of the composite breakwater. Due to limitations of allowable paper length, the studied results were divided into two portions; (I) focusing on the dynamic response of structure, acceleration, deformation of seabed, and (II) focusing on the time variation in excess pore water pressure, liquefaction, effective stress path in the seabed. This paper corresponds to (II).
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.26
no.3
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pp.160-173
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2014
Seabed beneath and near coastal structures may undergo large excess pore water pressure composed of oscillatory and residual components in the case of long durations of high wave loading. This excess pore water pressure may reduce effective stress and, consequently, the seabed may liquefy. If liquefaction occurs in the seabed, the structure may sink, overturn, and eventually increase the failure potential. In this study, to evaluate the liquefaction potential on the seabed, numerical analysis was conducted using the expanded 2-dimensional numerical wave tank to account for an irregular wave field. In the condition of an irregular wave field, the dynamic wave pressure and water flow velocity acting on the seabed and the surface boundary of the composite breakwater structure were estimated. Simulation results were used as input data in a finite element computer program for elastoplastic seabed response. Simulations evaluated the time and spatial variations in excess pore water pressure, effective stress, and liquefaction potential in the seabed. Additionally, the deformation of the seabed and the displacement of the structure as a function of time were quantitatively evaluated. From the results of the analysis, the liquefaction potential at the seabed in front and rear of the composite breakwater was identified. Since the liquefied seabed particles have no resistance to force, scour potential could increase on the seabed. In addition, the strength decrease of the seabed due to the liquefaction can increase the structural motion and significantly influence the stability of the composite breakwater. Due to limitations of allowable paper length, the studied results were divided into two portions; (I) focusing on the dynamic response of structure, acceleration, deformation of seabed, and (II) focusing on the time variation in excess pore water pressure, liquefaction, effective stress path in the seabed. This paper corresponds to (I).
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