Numerical analysis was carried out using a finite element analysis program to analyze the behavior characteristics of enlarged cylinder type anchor. It was found that the ultimate resistance of enlarged cylinder type anchor increases with the enlargement angle from numerical analysis for various enlargement angle cases. In the case of $30-60^{\circ}$ of enlargement angle, the deformation and stress distribution characteristics in anchor are similar regardless of enlargement angle. However, when the same tensile force is applied, there is a difference in the degree of frictional resistance because of difference of displacement of top of grouting zone. Also, it was found that the maximum compressive force and tensile force were generated at the cone of the upper portion of the grouting zone, and tensile fracture of the upper grouting portion is likely to occur.
In cementless total hip arthroplasty(THA), an initial stability of the femoral component is mandatory to achieve bony inyowth and secondary long term fixation. Primary stability of the femoral component can be obtained by minimizing the magnitude of relative micromotions at bone stem interface. An accurate evaluation of interf'ace micromotion and stress/strain fields in the bone-implant system may be relevant for better understanding of clinical situations and improving THA design. Recently finite element method(FEM) was introduced in'orthopaedic research field due to its unique capacity to evaluate stress in structure of complex shape, loading and material behavior. The authors developed the 3-dimensional finite element model of proximal femur with $Multilock^{TM}$ stem of 1179 blick elements to analyse the micromotions and mechanical behaviors at the bone-stem inteface in early post-operative period for the load simulating single leg stance. The results indicates that the values of relative motion for this well fit stem were $150{\mu}m$ in maximum $82{\mu}m$ in minimum and the largest relative motion was developed in medial region of Proximal femur and in anterior-posterior direction. The motion in the proximal bone was much greater than in the distal bone and the stress pattern showed high stress concentration on the cortex near the tip of the stem. These findings indicate that the loading on the hip joint in the early postoperative situation before achieving bony ingrowth could produce large micromotion of $150{\mu}m$ and clinicaly non-cemented THA patient should not be allowed weight bearing strictly early in the postoperative period.
In this paper, the fracture characteristics of concrete specimens with different notch depths under three-point flexural loads are studied by finite element and fracture mechanics methods. Firstly, the concrete beams (the size is 700×100×150 mm) with different notch depths (a=30 mm, 45 mm, 60 mm and 75 mm respectively) are tested to study the influence of notch depths on the mechanical properties of concrete. Subsequently, the concrete beams with notch depth of 60 mm are loaded at different loading rates to study the influence of loading rates on the fracture characteristics, and digital image correlation (DIC) is used to monitor the strain nephogram at different loading rates. The test results show that the flexural characteristics of the beams are influenced by notch depths, and the bearing capacity and ductility of the concrete decrease with the increase of notch depths. Moreover, the peak load of concrete beam gradually increases with the increase of loading rate. Then, the fracture energy of the beams is accurately calculated by tail-modeling method and the bilinear softening constitutive model of fracture behavior is determined by using the modified fracture energy. Finally, the bilinear softening constitutive function is embedded into the finite element (FE) model for numerical simulation. Through the comparison of the test results and finite element analysis, the bilinear softening model determined by the tail-modeling method can be used to predict the fracture behavior of concrete beams under different notch depths and loading rates.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.3
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pp.353-359
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2010
For achieving economical fuel consumption, an increase in the load bearing capacity, and for environmental conservation, there is a constant demand for lightweight frames of commercial vehicles used in the transportation industry. In this study, a structural analysis of the frame of a heavy flat-bed trailer was performed to determine the optimal design of a new lightweight frame made of high-strength steel. To identify the key design parameters of the trailer frame, Taguchi's orthogonal array was used in the experiments. Using ANSYS, a commercial FEA program, the frame structure was optimized with respect to stress, deflection, and torsional stiffness by performing stress and vibration analyses. A physical model of the trailer was also built to verify the validity of the numerical analyses. Finally, an on-road fatigue test of the new lightweight frame made of the high-strength steel, ATOS80, was performed to confirm the durability of the new design.
Trap effect of groove is evaluated in a lubricating system using computational fluid dynamics (CFD) analysis. The simulation is based on the standard k-ε turbulence model and the discrete phase model (DPM) using a commercial CFD code FLUENT. The simulation results are also capable of showing the particle trajectories in flow field. Computational domain is meshed using the GAMBIT pre-processor. The various grooves are applied in order to improve lubrication characteristics such as reduction of friction loss, increase in load carrying capacity, and trapping of the wear particles. Trap effect of groove is investigated with variations in cross-sectional shape and Reynolds number in this research. Various cross-sectional shapes of groove (rectangular, triangle, U shaped, trapezoid, elliptical shapes) are considered to evaluate the trap effect in simplified two-dimensional sliding bearing. The particles are assumed to steel, and defined a single particle injection condition in various positions. The “reflect” boundary condition for discrete phase is applied to the wall boundary, and the “escape” boundary condition to “pressure inlet” and “pressure outlet” conditions. The streamlines are compared with particles trajectories in the groove. From the results of numerical analysis in the study, it is found that the cross-sectional shapes favorable to the creation of vortex and small eddy current are effective in terms of particle trapping effect. Moreover, it is found that the Reynolds number has a strong influence on the pattern of vortex or small eddy current in the groove, and that the pattern of the vortex or small eddy current affects the trap effect of the groove.
In order to use the limit equilibrium theory, it is necessary to find a slip line under the ultimate failure condition. The strength reduction method using the Lagrangian finite element method defines the ultimate failure state at a time when the numerical solution cannot converge within the certain number of the iteration. When the coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) method is used, however, such definition is inappropriate because the numerical solution of the CEL method can converge even under the ultimate failure condition. In this study, an objective condition designating the ultimate failure state in the finite element analysis adopting the CEL method was proposed. In the problem of the bearing capacity of the undrained soft ground subjected to the strip footing loading, we found that the rate of the plastic dissipated energy is highly sensitive at the load of the theoretical limit of the ultimate failure state.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.197-205
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2020
In 2014, The Housing Act amended to allows vertical extension and increases the units of housing (or total floor area) to site. Currently, the feasibility of performing vertical extension is evaluated based on safety diagnosis provisions and manuals with 1st investigation stage on slope, uneven settlement, load-bearing capacity, and durability. However, a need for more reasonable evaluation criteria for the investigation is still required because there had not been any other case study on the diagnosis for the vertical extension, and the engineering basis on evaluation criteria were not suggested. Accordingly, this study is intended to suggest feasible evaluation criteria on the carbonation, chloride ion contents, corrosion of reinforcements, crack and surface deterioration of concrete for durability assessment by codes and standards of domestic and foreign countries. The results of this study are expected to be beneficial for establishing more reasonable durability evaluation criteria, and in turn, more reliable assessment protocol for vertical extension.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.85-91
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2020
The necessity for ground reinforcement of structures has been increasing in South Korea because buildings have encountered constructional problems such as inclined structures and collapses caused by earthquakes or differential settlement of the foundations. With regard to a ground reinforcement method, an increasing number of high-strength concrete piles have been used based on their advantages, including a wide range of penetration depth and a high load-bearing capacity. However, problems such as the destruction of a pile head during on-site placement work can occur when the pile has insufficient strength. For this reason, the strength of such piles should be managed more thoroughly. Thus, this study analyzed the strength properties of high-strength concrete piles using blast furnace slag (BFS) powder as a cement replacement, which was generated as an industrial byproduct. The analysis results indicated that the compression strength of the concrete piles increased when 10% to 20% of the cement was replaced with ground granulated blast-furnace slag (GGBS). In addition, the compression strength of the concrete piles was calculated to be 80.6 MPa when 20% of the cement was replaced with GGBS, which was greater by 5% than that of an ordinary Portland cement (OPC) specimen.
Lightweight concrete is a superior material due to its light weight and high strength. There however remain significant lacunae in engineering knowledge with regards to shear failure of lightweight fiber reinforced concrete beams. The main aim of the present study is to investigate the optimum usage of steel fibers in lightweight fiber reinforced concrete (LWFRC). Multi-scale finite element model calibrated with experimental results is developed to study the effect of steel fibers on the mechanical properties of LWFRC beams. To decrease the amount of steel fibers, it is preferred to reinforce only the middle section of the LWFRC beams, where the flexural stresses are higher. For numerical simulation, a multi-scale finite element model was developed. The cement matrix was modeled as homogeneous and uniform material and both steel fibers and lightweight coarse aggregates were randomly distributed within the matrix. Considering more realistic assumptions, the bonding between fibers and cement matrix was considered with the Cohesive Zone Model (CZM) and its parameters were determined using the model update method. Furthermore, conformity of Load-Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) curves obtained from numerical modeling and experimental test results of notched beams under center-point loading tests were investigated. Validating the finite element model results with experimental tests, the effects of fibers' volume fraction, and the length of the reinforced middle section, on flexural and residual strengths of LWFRC, were studied. Results indicate that using steel fibers in a specified length of the concrete beam with high flexural stresses, and considerable savings can be achieved in using steel fibers. Reducing the length of the reinforced middle section from 50 to 30 cm in specimens containing 10 kg/m3 of steel fibers, resulting in a considerable decrease of the used steel fibers by four times, whereas only a 7% reduction in bearing capacity was observed. Therefore, determining an appropriate length of the reinforced middle section is an essential parameter in reducing fibers, usage leading to more affordable construction costs.
David Medall;Carmen Ibanez;Ana Espinos;Manuel L. Romero
Steel and Composite Structures
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v.49
no.5
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pp.533-546
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2023
Cost-effective solutions provided by composite construction are gaining popularity which, in turn, promotes the appearance on the market of new types of composite sections that allow not only to take advantage of the synergy of steel and concrete working together at room temperature, but also to improve their behaviour at high temperatures. When combined with high performance materials, significant load-bearing capacities can be achieved even with reduced cross-sectional dimensions. Steel-reinforced concrete-filled steel tubular (SR-CFST) columns are one of these innovative composite sections, where an open steel profile is embedded into a CFST section. Besides the renowned benefits of these typologies at room temperature, the fire protection offered by the surrounding concrete to the inner steel profile, gives them an enhanced fire performance which delays its loss of mechanical capacity in a fire scenario. The experimental evidence on the fire behaviour of SR-CFST columns is still scarce, particularly when combined with high performance materials. However, it is being much needed for the development of specific design provisions that consider the use of the inner steel profile in CFST columns. In this work, a new experimental program on the thermo-mechanical behaviour of SR-CFST columns is presented to extend the available experimental database. Ten SR-CFST stub columns, with circular and square geometries, combining high strength steel and concrete were tested. It was seen that the circular specimens reached higher failure times than the square columns, with the failure time increasing both when high strength steel was used at the embedded steel profile and high strength concrete was used as infill. Finally, different proposals for the reduction coefficients of high performance materials were assessed in the prediction of the cross-sectional fire resistance of the SR-CFST columns.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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