This paper presents a theoretical and computational approach to solve inelastic structures subjected to overloads. Current practice in structural design is based on elastic analysis followed by limit strength design. Whereas this approach typically results in safe strength design, it does not always guarantee satisfactory performance at the service level because the internal stiffness distribution of the structure changes from the service to the ultimate strength state. A significant variation of relative stiffnesses between the two states may result in unwanted cracking at the service level with expensive repairs, while, under certain circumstances, early failure may occur due to unexpected internal moment reversals. To address these concerns, a new inelastic model is presented here that is based on the nonlinear material response and the interaction relation between axial forces and bending moments of a beam-column element. The model is simple, reasonably accurate, and computationally efficient. It is easy to implement in standard structural analysis codes, and avoids the complexities of expensive alternative analyses based on 2D and 3D finite-element computations using solid elements.
This study reports the details of the finite element analysis of eleven shear critical partially prestressed concrete T-beams having steel fibers over partial or full depth. Prestressed concrete T-beams having a shear span to depth ratio of 2.65 and 1.59 and failing in the shear have been analyzed using 'ANSYS'. The 'ANSYS' model accounts for the nonlinear phenomenon, such as, bond-slip of longitudinal reinforcements, post-cracking tensile stiffness of the concrete, stress transfer across the cracked blocks of the concrete and load sustenance through the bridging of steel fibers at crack interface. The concrete is modeled using 'SOLID65'-eight-node brick element, which is capable of simulating the cracking and crushing behavior of brittle materials. The reinforcements such as deformed bars, prestressing wires and steel fibers have been modeled discretely using 'LINK8' - 3D spar element. The slip between the reinforcement (rebar, fibers) and the concrete has been modeled using a 'COMBIN39'-non-linear spring element connecting the nodes of the 'LINK8' element representing the reinforcement and nodes of the 'SOLID65' elements representing the concrete. The 'ANSYS' model correctly predicted the diagonal tension failure and shear compression failure of prestressed concrete beams observed in the experiment. The capability of the model to capture the critical crack regions, loads and deflections for various types of shear failures in prestressed concrete beam has been illustrated.
This paper presents an investigation of the effect of inclined stiffeners on the load-carrying capacity of simply-supported hot-rolled steel I-beams under various load conditions. The study is carried out using finite element analysis. A series of beams modeled using 3-D solid finite elements with consideration of initial geometric imperfections, residual stresses, and material nonlinearity are analyzed with and without inclined stiffeners to show how the application of inclined stiffeners can offer a noticeable increase in their lateral-torsional buckling (LTB) capacity. The analysis results have shown that the amount of increase in LTB capacity is primarily dependent on the location of the inclined stiffeners and the lateral unsupported length of the beam. The width, thickness and inclination angle of the stiffeners do not have as much an effect on the beam's lateral-torsional buckling capacity when compared to the stiffeners' location and beam length. Once the optimal location for the stiffeners is determined, parametric studies are performed for different beam lengths and load cases and a design equation is developed for the design of such stiffeners. A design example is given to demonstrate how the proposed equation can be used for the design of inclined stiffeners not only to enhance the beam's bearing capacity but its lateral-torsional buckling strength.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.1
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pp.126-137
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2003
Many research works have been performed on the J-T approach for elastic-plastic crack-tip stress fields in a variety of plane strain specimens. To generalize the validity of J-T method, further investigations are however needed fur more practical 3D structures than the idealized plane strain specimens. The present study deals mainly with 3D finite element (FE) modeling of welded plate and straight pipe, and accompanying elastic, elastic-plastic FE analyses. Manual 3D modeling is almost prohibitive, since the models contain semi-elliptical interfacial cracks which require singular elements. To overcome this kind of barrier, we develop a program generating the meshes fur semi-elliptical interfacial cracks. We then compare the detailed 3D FE stress fields to those predicted with J-T two parameters. The validity of J-T approach is thereby extended to 3D yield-strength-mismatched weld joints, and useful information is inferred fur the design or assessment of pipe welds.
This paper proposed a new 2-D multi-body dynamic modeling technique to analyze overriding behaviors taking place during train collision. This dynamic model is composed of nonlinear springs, dampers and masses by considering the deformable characteristics of carbodies as well as energy absorbing structures and components. By solving this dynamic model for rollingstock, energy absorbing capacities of collision elements, accelerations of passenger sections, impact forces applied to interconnecting devices, and overriding displacements can be well estimated. For a case study, we chose KHST (Korean High Speed Train), obtained crush characteristic data of each carbody section from 3-D finite element analysis, and established a 2-D multi-body dynamic model. This 2-D dynamic model was simulated under the train-to-train collision scenarios, and evaluated with 3-D virtual testing model. It was founded from the simulation results that this 2-D dynamic model could well predict overriding behaviors, and the modeling technique of carbody deformation was very important in overriding estimation.
In the present study, an efficient method for the optimum design of three-dimensional (3D) steel framed structures is proposed. In this method, in addition to choosing the best position of columns based on architectural requirements, the optimum cross-sectional dimensions of elements are determined. The preliminary design variables are considered as the number of columns in structural plan, which are determined by a direct optimization method suitable for discrete variables, without requiring the evaluation of derivatives. After forming the geometry of structure, the main variables of the cross-sectional dimensions are evaluated, which satisfy the design constraints and also achieve the least-weight of the structure. To reduce the number of finite element analyses and the overall computational time, a new third order approximate function is introduced which employs only the diagonal elements of the higher order derivatives matrices. This function produces a high quality approximation and also, a robust optimization process. The main feature of the proposed techniques that the higher order derivatives are established by the first order exact derivatives. Several examples are solved and efficiency of the new approximation method and also, the proposed method for the best position of columns in 3D steel framed structures is discussed.
In this paper, an innovative technique for finite element (FE) modeling of steel tube-confined concrete (STCC) columns with active confinement under axial compressive loading is presented. In this method, a new constitutive model for the stress-strain relationship of actively-confined concrete is proposed. In total, 14 series of experimental STCC stub columns having active confinement were modeled using the ABAQUS software. The results obtained from the 3D model including the compressive strength at the initial peak point and failure point, as well as the axial and lateral stress-strain curves were compared with the experimental results to verify the accuracy of the 3D model. It was found that there existed a good agreement between them. A parametric study was conducted to investigate the effect of the concrete compressive strength, steel tube wall thickness, and pre-stressing level on the behavior of STCC columns with active confinement. The results indicated that increasing the concrete core's compressive strength leads to an increase in the compressive strength of the active composite column as well as its earlier failure. Furthermore, a reduction in the tube external diameter-to-wall thickness ratio affects the axial stress-strain curve and the confining pressure, while increasing the pre-stressing level has a negligible effect on the two.
A microstructure-based finite element simulation was conducted to predict the plastic strain ratio (R-value) of a dual-phase (DP) steel. The representative volume elements (RVEs) concept was adopted for the image-based FE modeling and a 3D model was constructed using sequential 2D images. Each phase was considered with the von-Mises yield criterion and the Swift model. The Swift parameters were defined by the empirical equations based on the chemical composition. The developed model was applied to analyze the effect of residual stress on the R-value and stress distribution. In order to consider the residual stress development after cold rolling, 10 % compression was applied in the thickness direction and unloaded before the tensile stress was applied in the rolling direction. The results showed a reasonable prediction for the R-value evolution: a sharp increase at small strains was well described and a transition followed in the downward direction. The R-value evolution was analyzed using the stress distribution change on the π-plane
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.17
no.1
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pp.96-104
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2009
An anatomically detailed elderly human body model is under development. Using the anthropometric database of domestic nation-wide size survey, SizeKorea, a standard size and shape of 50th %tile elderly was constructed. Through the local recruitment process, a male volunteer with 71 years of age, 163cm of height and 63kg of weight has been selected. The exterior (skin) and interior (skeleton and organ) geometries were acquired from whole body 3D laser scan and various medical images such as CT, X-ray, and Ultrasonic of the volunteer. A particular attention has been paid into the combining process of exterior and interior geometries especially for joint articulation positions since they were measured at different postures (sitting vs. supine). A whole ribcage of PMHS which possessed similar anthropometry and age of standard 50th %tile elderly was prepared and dissected for the precise gauge of cortical rib bone thickness distributions. After completing the morphological construction of elderly human body, the finite element modeling will be processed by meshing elements and assigning mechanical properties to various biological tissues which reflect the aging effect.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.3
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pp.42-47
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2011
A method of calculating natural frequencies corresponding to the modes of vibration of beams and tower structures with irregular cross sections and arbitrary boundary conditions was developed. The result is compared with that of the beam theory. Finite difference method is used for this purpose. The influence of the $D_{22}$ stiffness on the natural frequency is rigorously investigated. In this paper, the relation between the applied loading sizes and the natural frequency of vibration of some structural elements is presented. The results of application of this method to steel bridge and reinforced concrete slab bridge by using specially orthotropic plate theory is presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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