It is normal to observe the presence of numerous cracks in coal body. And it has significantly effective on the mechanical characteristics and realistic failure models of coal mass. Therefore, this paper is to investigate the influence of crack parameters on coal body by comprehensive using theoretical analysis, laboratory experiments and numerical simulation through prepared briquette specimens. Different from intact coal body possessing single peak in stress-strain curve, other specimens with crack angle can be illustrated to own double peaks. Moreover, the unconfined compressive strength (UCS) of specimens decreases and follow by increasing with the increase of crack angle. It seems to like a parabolic shape with an upward opening. And it can be demonstrated that the minimum UCS is obtained in crack angle $45^{\circ}$. In terms of failure types, it is interesting to note that there is a changing trend from tensile failure to tensile-shear mixing failure with tension dominant follow by shear dominant with the increase of crack angle. However, the changing characteristics of UCS and failure forms can be explained by elastic-plastic and fracture mechanics. Lastly, the results of numerical simulations are good consistent with the experimental results. It provides experimental and theoretical foundations to reveal fracture mechanism of coal body with non-penetrating single crack further.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.12
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pp.137-148
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2019
Korean piloti-type buildings are comprised of pilotis in the first story and shear walls in the upper stories. This vertical irregularity causes excessive lateral plastic deformation on the first story while the upper stories stay elastic. Meanwhile, asymmetric position of structural components such as core walls and columns of RC piloti-type buildings tends to produce torsional irregularities of the structures. Korean Building Code(KBC2016) requires the special seismic load and torsional amplification factor to apply to the piloti-type buildings lower than six-story or 20m if it has vertical and torsional irregularities when the building corresponds to seismic design category C or D. Many Korean low-rised RC buildings fall into the class. Therefore, the special earthquake load and torsional amplification factor are often applied to a building simultaneously. However, it has not been studied enough how much influence each parameter has on buildings with vertical and torsional irregularities at the same time. The purpose of this study is to evaluate the effect of factor special seismic load and torsional amplification on seismic performance of irregular buildings. In this study, a damaged 4th story piloti-type building by the Pohang earthquake was selected and the earthquake response analysis was carried out with various seismic design methods by the KBC 2016. The effect of the design parameters on seismic performance was analyzed by the dynamic analysis of models with special seismic load and torsional amplification factor based on the selected building. It was concluded that the application of the torsional amplification factor to the reference model to which special seismic design was applied, does not significantly affect the seismic performance.
Akhaveissy, A.H.;Desai, C.S.;Mostofinejad, D.;Vafai, A.
Computers and Concrete
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v.11
no.2
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pp.123-148
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2013
The nonlinear finite element method with eight noded isoparametric quadrilateral element for concrete and two noded element for reinforcement is used for the prediction of the behavior of reinforcement concrete structures. The disturbed state concept (DSC) including the hierarchical single surface (HISS) plasticity model with associated flow rule with modifications is used to characterize the constitutive behavior of concrete both in compression and in tension which is named DSC/HISS-CT. The HISS model is applied to shows the plastic behavior of concrete, and DSC for microcracking, fracture and softening simulations of concrete. It should be noted that the DSC expresses the behavior of a material element as a mixture of two interacting components and can include both softening and stiffening, while the classical damage approach assumes that cracks (damage) induced in a material treated acts as a void, with no strength. The DSC/HISS-CT is a unified model with different mechanism, which expresses the observed behavior in terms of interacting behavior of components; thus the mechanism in the DSC is much different than that of the damage model, which is based on physical cracks which has no strength and interaction with the undamaged part. This is the first time the DSC/HISS-CT model, with the capacity to account for both compression and tension yields, is applied for concrete materials. The DSC model allows also for the characterization of non-associative behavior through the use of disturbance. Elastic perfectly plastic behavior is assumed for modeling of steel reinforcement. The DSC model is validated at two levels: (1) specimen and (2) practical boundary value problem. For the specimen level, the predictions are obtained by the integration of the incremental constitutive relations. The FE procedure with DSC/HISS-CT model is used to obtain predictions for practical boundary value problems. Based on the comparisons between DSC/HISS-CT predictions, test data and ANSYS software predictions, it is found that the model provides highly satisfactory predictions. The model allows computation of microcracking during deformation leading to the fracture and failure; in the model, the critical disturbance, Dc, identifies fracture and failure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.10
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pp.1057-1068
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2014
This paper proposes elastic-plastic constitutive relations for a composite material with two phases-inclusion and matrix phases-using a homogenization scheme. A thermodynamic framework is employed to develop non-local plasticity constitutive relations, which are specifically represented in terms of the second-order gradient terms of the internal state variables. A combined two back-stress evolution equation is also established and the degradation of the state and internal variables is expressed by continuum damage mechanics in terms of the damage factor. Then, deformation localization is analyzed; the analysis results show that the proposed model yields a wide range of shear band formation behaviors depending on the evolution of the specific internal state variables. The analysis results also show good agreement with the results of simplified Rice instability analyses.
Park, Sung-Gye;Lee, Seung-Hae;Kim, Ji-Soon;You, Hee;Yum, Young-Jin
Korean Journal of Materials Research
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v.9
no.10
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pp.962-969
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1999
Elastic and elasto-plastic stress analyses of AlN/Cu and AlN/W pints produced by active-metal brazing method using Ag-Cu-Ti insert-metal were performed with use of Finite-Element-Method(FEM). The results of stress analyses were compared with those from the pint strength tests and the observations of fracture behaviors. It was shown that a remarkably larger maximum principal stress is built in the AlN/Cu pint compared to the A1N/ W joint. Especially, the stress concentration with tensile component was confirmed at the free surface close to the bonded interface of AlN/Cu. The elasto-plastic analysis under consideration of stress relaxation effect of Ag-Cu-Ti insert possessing a so-called 'soft-metal effect' showed that the insert leads to a lowering of maximum principal stress in AlNiCu pint, even though an increase of the insert thickness above 100$\mu\textrm{m}$ could not bring its further decrease. The maximum pint strengths measured by shear test were 52 and 108 MPa for AlNiCu and AlN/W pints. respectively. Typical fractures of AlN/Cu pints occurred in a form of 'dome' which initiated from the free surface of AlN close to the bonded interface and proceeded towards the AlN inside forming a large angle. AlN/W pints were usually fractured at AlN side along the interface of AlN/insert-metal.
Reliability in tunnel analysis is necessary to accomplish technically sound design and economical construction. For this, a thorough understanding of the construction procedure including the ground-support interaction has to be obtained. This paper describes a proper modelling technique to simulate the behavior of the steel fiber reinforced shotcrete (SFRS) which maintain the supporting capability in post-failure regime. The additional supporting effect of the steel support was also verified by 3-D analyses and a new load distribution factor were proposed. The use of the plastic moment limit (PML) alone can eliminate the occurrence of the awkwardly high tensile stress in the shotcrete and can successfully model the post-peak ductile behavior of the SFRS. But with this method, moment is limited whenever the stress caused by moment reaches tensile strength of the shotcrete irrespective of the stress by axial force. Therefore, it was necessary to find a more comprehensive method which can reflect the influence of the moment and axial force. This can be accomplished by the proper use of "liner element" which is the built-in model in FLAC. In this model, the peak and residual strength as well as the uniaxial compressive strength of the SFRS can be specified. Analyses were conducted with these two models on the 2-lane road tunnels excavated in class IV and V rock mass and results were compared with the conventional elastic beam model. Results showed that both models can reflect the fracture toughness of the SFRS which could not be accomplished by the elastic beam model.
In eccentrically braced steel frames (EBFs), the links are fuse members which enter inelastic phase before other structure members and dissipate the seismic energy. Based on the force-based seismic design method, damages and plastic deformations are limited to the links, and the main structure members are required tremendous sizes to ensure elastic with limited or no damage. Force-based seismic design method is very common and is found in most design codes, it is unable to determine the inelastic response of the structure and the damages of the members. Nowadays, methods of seismic design are emphasizing more on performance-based seismic design concept to have a more realistic assessment of the inelastic response of the structure. Links use ordinary steel Q345 (the nominal yielding strength $f_y{\geq}345MPa$) while other members use high strength steel (Q460 $f_y{\geq}460MPa$ or Q690 $f_y{\geq}690MPa$) in eccentrically braced frames with high strength steel combination (HSS-EBFs). The application of high strength steels brings out many advantages, including higher safety ensured by higher strength in elastic state, better economy which results from the smaller member size and structural weight as well as the corresponding welding work, and most importantly, the application of high strength steel in seismic fortification zone, which is helpful to popularize the extensive use of high strength steel. In order to comparison seismic behavior between HSS-EBFs and ordinary EBFs, on the basis of experimental study, four structures with 5, 10, 15 and 20 stories were designed by PBSD method for HSS-EBFs and ordinary EBFs. Nonlinear static and dynamic analysis is applied to all designs. The loading capacity, lateral stiffness, ductility and story drifts and failure mode under rare earthquake of the designs are compared. Analyses results indicated that HSS-EBFs have similar loading capacity with ordinary EBFs while the lateral stiffness and ductility of HSS-EBFs is lower than that of EBFs. HSS-EBFs and ordinary EBFs designed by PBSD method have the similar failure mode and story drift distribution under rare earthquake, the steel weight of HSS-EBFs is 10%-15% lower than ordinary EBFs resulting in good economic efficiency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.5
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pp.567-573
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2010
In this study, we evaluated the structural integrity and weight of a rocket motor with a torispherical dome by size optimization. Size optimization was achieved by first-order and sub-problem methods, using the Ansys Parametric Design Language (APDL). For rapid design verification, a modified 2D axisymmetric finite-element model was used, and the bolt pre-tension load was expressed as function of the ratio of the cross-sectional area. The thickness of the dome and the cylindrical part of the rocket motor were selected as the design parameters. Our results showed that the weight and structural integrity of the rocket motor at the initial design stage could be determined more rapidly and accurately with the modified 2D axisymmetric finite-element model than with the 3D finite-element model; further, the weight of the rocket motor could be saved to maximum of 17.6% within safety limit.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.10
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pp.1612-1620
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2004
This study presents methods to estimate elastic-plastic crack opening displacement (COD) fur circumferential through-wall cracked pipes for the Leak-Before-Break (LBB) analysis of pressurized piping. Proposed methods are based not only on the GE/EPRI approach but also on the reference stress approach. For each approach, two different estimation schemes are given, one for the case when full stress-strain data are available and the other fur the case when only yield and ultimate tensile strengths are available. For the GE/EPRI approach a robust way of determining the Ramberg-Osgood (R-O) parameters is proposed, not only fur the case when detailed information on full stress-strain data is available but also for the case when only yield and ultimate tensile strengths are available. The COD estimates according to the GE/EPRI approach, using the R-O parameters determined from the proposed R-O fitting procedures, generally compare well with the published pipe test data. For the reference stress approach, the COD estimates according to the method based on both full stress-strain data and limited tensile properties are in good agreement with pipe test data. In conclusion, experimental validation given in the present study provides sufficient confidence in the use of the proposed method to practical LBB analyses even though when information on material's tensile properties is limited.
Construction techniques for continuous steel bridges were applied to steel-concrete double composite box girder bridges. Concrete depth and length at the bottom of the steel box in the negative moment region were determined by plastic moment region and negative moment region of the double composite section, respectively. Construction methods, such as crane lifting method, free cantilever method, and incremental launching method were used for the analysis of the construction stage. Two cases of the construction phase were considered and analyzed for the stress resultant of double composite girders. The behavior of the nose-deck elastic system was examined by three-dimensionless parameters, such as the nose length, the unit weight of the launching nose, and the flexural stiffness of the nose. The adoption of the launching nose has become an effective solution in the incremental launching of steel-concrete double composite box girder bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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