Differential equations governing dynamic behavior of toroid-shaped ferro-magnetic material having a small gap of uniform width were derived incorporating Maxwell equations of electromagnetic induction relevent to the system and Newtonian equation of motion. Once the external uniform magnetic field was applied within the material through dc-circuit around the toroid, gap begin to change which lead to the abrupt variation of field in the material and gap according to the differential equations already derived. Characteristics of current and electromotive force with respect to time in the circuit consisting of inductance and resistance in series could be predicted from numerical solutions of these equations. As current in the circuit increasesl, magnetic field in the material increases, thus, the gap starts to shrink due to increased attractive force between gap and elastic restoring force in the material. With an appropriate selection of elastic constant of toroidal ferromagnetic material and design of gap structure it is possible to obtain the specified in both linear and nonlinear magnetic characteristics, such as current dependent and independent inductance.
Reinforced concrete flat slab (RCFS) with columns is a standard gravity floor system for tall buildings in North America. Typically, RCFS-column connections are designed to resist gravity loads, and their contribution to resisting seismic forces is ignored. However, past experimental research has shown that RCFS-column connections have some strength and ductility, which may not be ignored. Advanced numerical models have been developed in the past to determine the nonlinear cyclic behavior of RCFS-column connections. However, these models are either too complicated for nonlinear dynamic analysis of an entire building or not developed to model the behavior of modern RCFS-column connections. This paper proposes a new nonlinear model suitable for modern RCFS-column connections. The numerical model is verified using experimental data of specimens with various material and reinforcement properties. A 40-story RC shear wall building was designed and analyzed to investigate the influence of RCFS on the global response of tall concrete buildings. The seismic responses of the building with and without the RCFS were modelled and compared. The results show that the modelling of RCFS has a significant impact on the inter-story drifts and force demands on both the seismic force-resisting and gravity elements.
Hamdy, Gehan A.;Kamal, Osama A.;El-Hariri, Mohamed O.R.;El-Salakawy, Tarik S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.5
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pp.611-619
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2018
This paper addresses numerical modeling and nonlinear analysis of unreinforced masonry walls and vaults externally strengthened using fiber reinforced polymers (FRP). The aim of the research is to provide a simple method for design of strengthening interventions for masonry arched structures while considering the nonlinear behavior. Several brick masonry walls and vaults externally strengthened by FRP which have been previously tested experimentally are modeled using finite elements. Numerical modeling and nonlinear analysis are performed using commercial software. Description of the modeling, material characterization and solution parameters are given. The obtained numerical results demonstrate that externally applied FRP strengthening increased the ultimate capacity of the walls and vaults and improved their failure mode. The numerical results are in good agreement with the experimentally obtained ultimate failure load, maximum displacement and crack pattern; which demonstrates the capability of the proposed modeling scheme to simulate efficiently the actual behavior of FRP-strengthened masonry elements. Application is made on a historic masonry dome and the numerical analysis managed to explain its structural behavior before and after strengthening. The modeling approach may thus be regarded a practical and valid tool for design of strengthening interventions for contemporary or historic unreinforced masonry elements using externally bonded FRP.
Many types of passive control devices have been recognized as effective tools for improving the seismic resistance of structures. A lot of past research has been carried out to study the response of structures equipped with energy-absorbing devices by assuming that the behavior of the beam-column systems are linearly elastic. However, linear theory may not be adequate for beams and columns during severe earthquakes. This paper presents the results of research on the nonlinear responses of structures with and without added passive devices under earthquakes. A new material model based on the plasticity theory and the two-surface model for beams and columns under six components of forces is proposed to predict the nonlinear behavior of beam-column systems. And a new nonlinear beam element in consideration of shear deformation is developed to analyze the beams and columns of a structure. Numerical results reveal that linear assumption may not be appropriate for beams and columns under seismic loadings, especially for unexpectedly large earthquakes. Also, it may be necessary to adopt nonlinear beam elements in the analysis and design process to assure the safety of structures with or without the control of devices.
Because the elevated temperature degrades the mechanical properties of materials used in containments, the global behavior of containments subjected to the internal pressure under high temperature is remarkably different from that subjected to the internal pressure only. This paper concentrates on the nonlinear finite element analyses of the nuclear power plant containment structures, and the importance for the consideration of the elevated temperature effect has been emphasized because severe accident usually accompanies internal high pressure together with a high temperature increase. In addition to the consideration of nonlinear effects in the containment structure such as the tension stiffening and bond-slip effects, the change in material properties under elevated temperature is also taken into account. This paper, accordingly, focuses on the three-dimensional nonlinear analyses with thermal effects. Upon the comparison of experiment data with numerical results for the SNL 1/4 PCCV tested by internal pressure only, three-dimensional analyses for the same structure have been performed by considering internal pressure and temperature loadings designed for two kinds of severe accidents of Saturated Station Condition (SSC) and Station Black-out Scenario (SBO). Through the difference in the structural behavior of containment structures according to the addition of temperature loading, the importance of elevated temperature effect on the ultimate resisting capacity of PCCV has been emphasized.
A nonlinear finite element modeling approach is developed to assess the behavior of a dowel bar embedded on a single concrete block substrate, subjected to monotonic loading. In this approach, a discrete representation of the steel reinforcing bar is considered, using beam finite elements with nonlinear material behavior. The bar is connected to the concrete embedment through nonlinear Winkler spring elements. This modeling approach can only be used if a new constitutive model is developed for the spring elements, to simulate the deformability and strength of the concrete substrate. To define this constitutive model, an extensive literature review was conducted, as well as 3 experimental tests, in order to select the experimental data which can be used in the calibration of the model. Based on this data, an empirical model was established to predict the global dowel response, for a wide range of bar diameters and concrete strengths. This empirical model provided the information needed for calibration of the nonlinear Winkler spring model, valid for dowel displacements up to 4 mm. This new constitutive model is composed by 5 stages, in order to reproduce the concrete substrate response.
Kim, Seungjun;Im, Seok-Been;Lee, Kee-Sei;Kang, Young-Jong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.2A
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pp.85-95
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2012
This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges using nonlinear finite element analysis method. Cable-stayed bridges exhibit various geometric nonlinearities as well as material nonlinearities, so rational nonlinear finite element analysis should be performed for investigation of the ultimate behavior. In this study, ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was studied using rational ultimate analysis method. Nonlinear equivalent truss element and nonlinear frame element were used for modeling the cable, girder and mast. Moreover, refined plastic hinge method was adopted for considering the material nonlinearity of steel members. In this study, the 2-step analysis method was used. Before live load analysis, initial shape analysis was performed in order to consider the dead load condition. For investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges, analysis models which span length is 920.0 m were used. Radiating type and fan type were considered as the cable-arrangement types. With various quantitative evidences such as load-displacement curves, deformed shapes, locations of the yield point or region, bending moment distribution and so on, the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was investigated and described in this paper.
Although performance based assessment procedures are mainly developed for reinforced concrete and steel buildings, URM (Unreinforced Masonry) buildings occupy significant portion of buildings in earthquake prone areas of the world as well as in IRAN. Variability of material properties, non-engineered nature of the construction and difficulties in structural analysis of masonry walls make analysis of URM buildings challenging. Despite sophisticated finite element models satisfy the modeling requirements, extensive experimental data for definition of material behavior and high computational resources are needed. Recently, nonlinear equivalent frame models which are developed assigning lumped plastic hinges to isotropic and homogenous equivalent frame elements are used for nonlinear modeling of URM buildings. The equivalent frame models are not novel for the analysis of masonry structures, but the actual potentialities have not yet been completely studied, particularly for non-linear applications. In the present paper an effective tool for the non-linear static analysis of 2D masonry walls is presented. The work presented in this study is about performance assessment of unreinforced brick masonry buildings through nonlinear equivalent frame modeling technique. Reliability of the proposed models is tested with a reversed cyclic experiment conducted on a full scale, two-story URM building at the University of Pavia. The pushover curves were found to provide good agreement with the experimental backbone curves. Furthermore, the results of analysis show that EFM (Equivalent Frame Model) with Dolce RO (rigid offset zone) and shell element have good agreement with finite element software and experimental results.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.2
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pp.11-17
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2018
Concrete is the well-used material in many architectural and civil structures. The behavior of concrete does exhibit a different characteristic in compression and tension, and it also shows an inelastic-nonlinear behavior. In addition, the concrete properties vary slightly depending on the environmental factor and manufacturer. These properties of concrete make the modeling or simulation of concrete material difficult. In reinforced concrete, particularly, there is a difficulty in bond-slip relationship between concrete and steel. However, in this paper, reserving remainder of these limits the finite element analysis for reinforced concrete beams through ABAQUS simulation has been carried out with some assumptions. Assumptions include the perfect bond of steel and concrete as well as the concrete damaged plasticity (CDP) in concrete property. There is a reasonable agreement between the experimental and numerical results, although the analytical strength and external rod deformation are slightly overestimated. The average and standard deviation between two results are 1.05 and 0.05, respectively. And the models and the computations lead to the evolution of fracture in bending beam.
In this paper, the nonlinear cylindrical bending behavior of functionally graded nanocomposite plates reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is studied using an efficient and simple refined theory. This theory is based on assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. The material properties of SWCNTs are assumed to be temperature-dependent and are obtained from molecular dynamics simulations. The material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTCRs) are assumed to be graded in the thickness direction, and are estimated through a micromechanical model. The fundamental equations for functionally graded nanocomposite plates are obtained using the Von-Karman theory for large deflections and the solution is obtained by minimization of the total potential energy. The numerical illustrations concern the nonlinear bending response of FG-CNTRC plates under different sets of thermal environmental conditions, from which results for uniformly distributed CNTRC plates are obtained as comparators.
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