Herrera, Ricardo A.;Muhummud, Teerawut;Ricles, James M.;Sause, Richard
Steel and Composite Structures
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v.43
no.3
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pp.327-340
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2022
A vast amount of experimental and analytical research has been conducted related to the seismic behavior and performance of concrete filled steel tubular (CFT) columns. This research has resulted in a wealth of information on the component behavior. However, analytical and experimental data for structural systems with CFT columns is limited, and the well-known behavior of steel or concrete structures is assumed valid for designing these systems. This paper presents the development of an analytical model for nonlinear analysis of composite moment resisting frame (CFT-MRF) systems with CFT columns and steel wide-flange (WF) beams under seismic loading. The model integrates component models for steel WF beams, CFT columns, connections between CFT columns and WF beams, and CFT panel zones. These component models account for nonlinear behavior due to steel yielding and local buckling in the beams and columns, concrete cracking and crushing in the columns, and yielding of panel zones and connections. Component tests were used to validate the component models. The model for a CFT-MRF considers second order geometric effects from the gravity load bearing system using a lean-on column. The experimental results from the testing of a four-story CFT-MRF test structure are used as a benchmark to validate the modeling procedure. An analytical model of the test structure was created using the modeling procedure and imposed-displacement analyses were used to reproduce the tests with the analytical model of the test structure. Good agreement was found at the global and local level. The model reproduced reasonably well the story shear-story drift response as well as the column, beam and connection moment-rotation response, but overpredicted the inelastic deformation of the panel zone.
The experimental design methodology was applied in the drop tube furnace (DTF) to predict the various combustion properties according to the operating conditions and to assess the coal plant safety. Response surface method (RSM) was introduced as a design of experiment, and the database for RSM was set with the numerical simulation of DTF. The dependent variables such as burnout ratios (BOR) of coal and $CO/CO_2$ ratios were mathematically described as a function of three independent variables (coal particle size, carrier gas flow rate, wall temperature) being modeled by the use of the central composite design (CCD), and evaluated using a second-order polynomial multiple regression model. The prediction of BOR showed a high coefficient of determination (R2) value, thus ensuring a satisfactory adjustment of the second-order polynomial multiple regression model with the simulation data. However, $CO/CO_2$ ratio had a big difference between calculated values and predicted values using conventional RSM, which might be mainly due to the dependent variable increses or decrease very steeply, and hence the second order polynomial cannot follow the rates. To relax the increasing rate of dependent variable, $CO/CO_2$ ratio was taken as common logarithms and worked again with RSM. The application of logarithms in the transformation of dependent variables showed that the accuracy was highly enhanced and predicted the simulation data well.
Self-compacting Concrete Filled steel Tubes (SCFT), which combines the advantages of steel and concrete materials, can be applied to strengthen the RC columns. In order to investigate the eccentric loading behavior of the strengthened columns, this paper presents an experimental and numerical investigation on them. The experimental results showed that the use of SCFT is interesting since the ductility and the bearing capacity of the RC columns are greatly improved. And the performance of strengthened columns is significantly affected by four parameters: column section type (circular and square), wall thickness of the steel tube, designed strength grade of strengthening concrete and initial eccentricity. In the numerical program, a generic fiber element model which takes in account the effect of confinement is developed to predict the behavior of the strengthened columns subjected to eccentric loading. After the fiber element analysis was verified against experimental results, a simple design formula based on the model is proposed to calculate the ultimate eccentric strength. Calibration of the calculated results against the test results shows that the design formula closely estimates the ultimate capacities of the eccentrically compressed strengthened columns by 5%.
Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics
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v.20
no.4
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pp.50-56
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2012
Rotor system is a very important part which produce lift, thrust and control force in helicopter. Component of rotor system must have structural integrity for applied load. The estimation of structural integrity is regarded greatly as important in aerospace field. In this study, the process of structural analysis performed for bearingless main rotor system of helicopter. The composite flexbeam and torque tube of bearingless main rotor are very thick, so 3D layered soild elements of MSC.PATRAN were used to get the finite element analysis results. To estimate structural integrity, non-linear static analysis considering geometric non-linearity is performed. In addition, detailed finete element analysis and non-linear static analysis are performed to consider the stress concentration for fitting effect and contact surface. The estimation process of structural integrity for bearingless main rotor system of helicopter may help the design.
Global air traffic is forecast to grow at an average annual rate of around 5% in the next 20 years. The continuous growth of air traffic and raised environmental awareness put increasing pressure on aero engine manufacturers to reduce fuel burn and emissions. NEWAC are a new integrated program of the European Union with focus on innovative core engine concepts to achieve this problem. In this paper, Within NEWAC, active core engine configurations will be investigated. the investigation is focused on the optimal design of the CAC heat exchanger for active core. For optimal design of he CAC heat exchanger, the HTFS of basic design of heat exchanger are analyzed so as to proceed an optimization routines based on Response Surface Method(RSM) and Design of Experiment(DOE). As a result, CAC heat exchanger optimized by 1.0314 lb/s mass flow rate and 3.9058 mm TP of tube layout and 206.8181 mm height of heat exchanger and 918 tube number for heat transfer and pressure drop. We confirm the design optimization using RSM and DOE is useful on complex structure of heat exchanger.
One of the methods to strengthen the structures against the seismic lateral loading is the employment of the composite columns. A concrete-filled tube (CFT) has the cumulative advantages of steel and concrete. Concrete-filled steel tube columns have been widely used in the moment-resisting frame (MRF) structures, located in both non-seismic zones and high-risk seismic zones. In this paper, the results of studies on two important seismic parameters of ductility and the response modification factor (RMF) of the MRFs with CFT columns are submitted. While the studies are carried out, the effects of span length-story height ratio, the strength of materials and seismic behavior of MRFs are considered. In this regard, the ductility, RMF and the strength of 36 models of the steel MRFs with CFTs are analyzed. The fiber plastic hinges numerical simulation and pushover analysis method are used in the calculations. Based on the obtained results, the RMFs suitable for the 5-, 10- and 15- story frames are proposed.
This paper presents the influence of carbon nanotubes (CNTs) waviness and aspect ratio on the vibrational behavior of functionally graded nanocomposite sandwich annular sector plates resting on two-parameter elastic foundations. The carbon nanotube-reinforced (CNTR) sandwich plate has smooth variation of CNT fraction along the thickness direction. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. Effects of CNT distribution, volume fraction, aspect ratio and waviness, and also effects of Pasternak's elastic foundation coefficients, sandwich plate thickness, face sheets thickness and plate aspect ratio are investigated on the free vibration of the sandwich plates with wavy CNT-reinforced face sheets. The study is carried out based on three-dimensional theory of elasticity and in contrary to two-dimensional theories, such as classical, the first- and the higher-order shear deformation plate theories, this approach does not neglect transverse normal deformations. The sandwich annular sector plate is assumed to be simply supported in the radial edges while any arbitrary boundary conditions are applied to the other two circular edges including simply supported, clamped and free.
The use of reinforced concrete (RC) shear wall with concrete filled steel tube (CFST) columns and steel fiber reinforced concrete (SFRC) shear wall has aroused widespread attention in recent years. A new shear wall, named SFRC shear wall with CFST columns, is proposed in this paper, which makes use of CFST column and SFRC shear wall. Six SFRC shear wall with CFST columns specimens were tested under cyclic loading. The effects of test parameters including steel fiber volume fraction and concrete strength on the failure mode, strength, ductility, rigidity and dissipated energy of shear wall specimens were investigated. The results showed that all tested shear wall specimens exhibited a distinct shear failure mode. Steel fibers could effectively control the crack width and improve the distribution of cracks. The load carrying and energy dissipation capacities of specimens increased with the increase of steel fiber volume fraction and concrete strength, whilst the ductility of specimens increased with the increase of steel fiber volume fraction and the decrease of concrete strength.
This paper reports the results of a recent experimental study into the behavior of welded fin-plate connections to both hollow and concrete filled tubular (CFT) columns under shear. Experiments have been performed at both ambient and elevated temperatures with the aid of an electric kiln. The observed failure modes include fracture of the fin plate and tearing out of the tube around the welds. By considering the results of previously published research, the current design method for similar connections under purely tensile load, in CIDECT Guide 9, based on a deformation limit of 3% of the tube width is shown to be inadequate when evaluating the ultimate strength of such connections. By comparing the results from the current test program which failed in the fin-plate with Eurocode guidance for failure of a fin-plate alone under shear and bending load it is shown that the column face influences the overall connection strength regardless of failure mode. Concrete in-fill is observed to significantly increase the strength of connections over empty specimens, and circular column specimens were observed to exhibit greater strength than similarly proportioned square columns. A finite element (F.E.) model, developed using ABAQUS, is presented and validated against the experimental results in order that extensive parametric tests may be subsequently performed. When validating the model against elevated temperature tests it was found that using reduction factors suggested in published research for the specific steel grades improved results over applying the generic Eurocode elevated temperature steel strength reduction factors.
Continuum manipulators as a kind of mechanical arms are useful tools in special robotic applications. In medical applications, like colonoscopy, a maneuverable thin and flexible manipulator is required. This research is focused on developing a basic module for such an application using shape memory alloys (SMA). In the structure of the module three wires of SMA are uniformly distributed and attached to the circumference of a flexible tube. By activating wires, individually or together, different rotation regimes are provided. SMA model is used based on Brinson work. The SMA model is combined to model of flexible tube to provide a composite model of the module. Simulating the model in Matlab provided a platform to be used to develop controller. Complex and nonlinear behavior of SMA make the control problem hard especially when a few SMA actuators are active simultaneously. In this paper, position control of the two degree of freedom module is under focus. An experimental control strategy is developed to regulate a desired position in the module. The simulation results present a reasonable performance of the controller. Moreover, the results are verified through experiments and show that the continuum module of this paper would be used in real modular manipulators.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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