The steel-concrete composite system has been playing a vital role in the construction sector for the past two decades. By using steel and concrete together, we achieve strong load resistance with minimal deflection and bending stress. The study focuses on the numerical and analytical behaviour of concrete encased steel castellated beams and compared them with previous experiments. The study used five composite beams, including one control reinforced concrete beam (CC), one fully concrete encased steel beam (FCES), and three fully concrete encased castellated beams. The major variable is the opening configuration of the castellated beam, such as openings along the longitudinal axis, above the longitudinal axis, and below the longitudinal axis. The 150 mm × 250 mm cross section and 2000 mm in length of beams were used. Using the finite element software ANSYS, we conduct nonlinear finite element analysis for the entire beam and compare it with test data. The numerical load carrying capacity of concrete encased steel castellated beam with a hexagonal opening above the longitudinal axis (FCESCB H2) is 160 kN is closer to the experimental observation. Von Mises strain of FCESB is 0.004232, which is lower than CB and composite castellated beam. The ductility factor and energy absorption capacity of FCESB are 5.090 and 1688.47 kNm. It was observed that the configuration of the opening will influence the strength of the composite beam. Plastic moment methods were employed to estimate the ultimate load carrying capacity of the beam. In the analytical study the beams were assumed as perfectly plastic. The ultimate analytical load carrying capacity of FCESCB H2 is 21.87% higher than FCESB. It found that performing FCESCB H2 is superior to the entire specimen.
The concrete damage plasticity (CDP) model is widely used to simulate concrete behaviour using either implicit or explicit analysis methods. To effectively execute the models and resolve convergence issues in implicit analysis, activating the viscosity parameter of this material model is a common practice. Despite the frequent application of implicit analysis to analyse concrete structures with the CDP model, the viscosity parameter significantly varies among available models and lacks consistency. The adjustment of the viscosity parameter at the element/structural level disregards its indirect impact on the material. Therefore, the accuracy of the numerical model is confined to the validated range and might not hold true for other values, often explored in parametric studies subsequent to validations. To address these challenges and develop a unified numerical model for varied conditions, a quasi-static analysis using the explicit solver was conducted in this study. Fifteen thick flat plates tested under load control with different geometries and different eccentric loads were considered to verify the accuracy of the model. The study first investigated various concrete material behaviours under compression and tension as well as the concrete tensile strength to identify the most reliable models from previous methodologies. The study compared the results using both implicit and explicit analysis. It was found that, in implicit analysis, the viscosity parameter should be as low as 0.0001 to avoid affecting material properties. However, at the structural level, the optimum value may need adjustment between 0.00001 to 0.0001 with changing geometries and loading type. This observation raises concerns about further parametric study if the specific value of the viscosity parameter is used. Additionally, activating the viscosity parameter in load control simulations confirmed its inability to capture the peak load. Conversely, the unified explicit model accurately simulated the behaviour of the test specimens under varying geometries, load eccentricities, and column sizes. This study recommends restricting implicit solutions to the viscosity values proposed in this research. Alternatively, for highly nonlinear problems under load control simulation, explicit analysis stands as an effective approach, ensuring unified parameters across a wide range of applications without convergence problems.
Behinaein, Pegah;Cotsovos, Demetrios M.;Abbas, Ali A.
Computers and Concrete
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v.22
no.3
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pp.337-353
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2018
The present study focuses on examining the structural behaviour of steel-fibre-reinforced concrete (SFRC) beams under high rates of loading largely associated with impact problems. Fibres are added to the concrete mix to enhance ductility and energy absorption, which is important for impact-resistant design. A simple, yet practical non-linear finite-element analysis (NLFEA) model was used in the present study. Experimental static and impact tests were also carried out on beams spanning 1.3 meter with weights dropped from heights of 1.5 m and 2.5 m, respectively. The numerical model realistically describes the fully-brittle tensile behaviour of plain concrete as well as the contribution of steel fibres to the post-cracking response (the latter was allowed for by conveniently adjusting the constitutive relations for plain concrete, mainly in uniaxial tension). Suitable material relations (describing compression, tension and shear) were selected for SFRC and incorporated into ABAQUS software Brittle Cracking concrete model. A more complex model (i.e., the Damaged Plasticity concrete model in ABAQUS) was also considered and it was found that the seemingly simple (but fundamental) Brittle Cracking model yielded reliable results. Published data obtained from drop-weight experimental tests on RC and SFRC beams indicates that there is an increase in the maximum load recorded (compared to the corresponding static one) and a reduction in the portion of the beam span reacting to the impact load. However, there is considerable scatter and the specimens were often tested to complete destruction and thus yielding post-failure characteristics of little design value and making it difficult to pinpoint the actual load-carrying capacity and identify the associated true ultimate limit state (ULS). To address this, dynamic NLFEA was employed and the impact load applied was reduced gradually and applied in pulses to pinpoint the actual failure point. Different case studies were considered covering impact loading responses at both the material and structural levels as well as comparisons between RC and SFRC specimens. Steel fibres were found to increase the load-carrying capacity and deformability by offering better control over the cracking process concrete undergoes and allowing the impact energy to be absorbed more effectively compared to conventional RC members. This is useful for impact-resistant design of SFRC beams.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.39
no.1
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pp.28-37
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2002
In this study nonlinear dynamic behaviors of towed tow-tension cables are numerically analysed. In the case of a taut cable analysis, a bending stiffness term is usually neglected due to its minor effect but it plays an important role in a low-tension cable analysis. A low-tension cable may experience large displacements due to relatively small restoring forces and thus the effects of fluid and geometric non-linearities become predominant. The bending stiffness and non-linearity effects are considered in this work. In order to obtain dynamic behaviors of a towed low-tension cable, three-dimensional nonlinear dynamic equation is described and discretized by employing a finite difference method. An implicit method and Newton-Raphson iteration are adopted for the time integration and nonlinear solutions. For the calculation of huge size of matrices. block tri-diagonal matrix method is applied, which is much faster than the well-known Gauss-Jordan method in two point boundary value problems. Some case studies are carried out and the results of numerical simulations are compared with those of a in-house program of WHOI Cable with good agreements.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.3
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pp.21-30
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2018
Building structures of apartment in korea conventionally adopt shear walls using coupling beams as seismic force-resisting systems. Energy dissipating devices employed the building structures are used instead of the coupling beams in order to increase the seismic performances by providing additional damping and stiffness. This study aims to introduce energy dissipating devices which are preferred in structural system and aims to investigate structural behaviors of shear wall structures employing such devices instead of coupling beams. In order for achieve research objectives, Finite Element Analysis and Nonlinear analysis was carry out. Finite Element Analysis results was correspond with experimental results and this is indicated that the device can provide sufficient additional damping and stiffness into shear wall structures. Throughout nonlinear static analyses, examples structures with the devices can enhance seismic performance of building structures due to their sufficient energy dissipating capacities. Especially, strength and ductility capacities were significantly improved when it is compared with the performance of building structures without the devices. Throughout nonlinear dynamic analyses, it was observed that structural damages can be mitigated due to reduced seismic demands for seismic force-resisting systems. It is especially noted due to the fact that story drifts, accelerations, shear demands are reduced by 15~18%, 20~28% and 15~20%, respectively.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.1
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pp.13-20
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2005
Since High Tensile Steel has been widely used to thin plate on the steel structure and marine structure, It has increased possibility of buckling. Especially, initial deflection of ship structure is mainly caused by heat processing of welding or cutting etc. This initial deflection has negative effect to thin plate, which would incur a complicated nonlinear behavior accompanied with secondary buckling. If idealized initial deflection is considered in early marine structure design of secondary buckling, accuracy and reliability will be improved considerably. The measurement data of initial deflection from experiment is applied to finite element series analysis. For FEA(ANSYS), Applied nonlinear buckling analysis is used by Newton-Raphson method & Arc-length method included in this program.
The direct displacement based design (DDBD) approach is spreading in the field of seismic design for many types of structures. This paper is carried out to present a robust approach for the DDBD procedure for single degree of freedom (SDOF) concentrically braced frames (CBFs). Special attention is paid to the choice of an equivalent viscous damping (EVD) model that represents the behaviour of a series of full scale shake table tests. The performance of the DDBD methodology of the CBFs is verified by two ways. Firstly, by comparing the DDBD results with a series of full-scale shake table tests. Secondly, by comparing the DDBD results with a quantified nonlinear time history analysis (NLTHA). It is found that the DDBD works relatively well and could predict the base shear forces ($F_b$) and the required brace cross sectional sizes of the actual values obtained from shake table tests and NLTHA. In other words, when comparing the ratio of $F_b$ estimated from the DDBD to the measured values in shake table tests, the mean and coefficient of variation ($C_V$) are found to be 1.09 and 0.12, respectively. Moreover, the mean and $C_V$ of the ratios of $F_b$ estimated from the DDBD to the values obtained from NLTHA are found to be 1.03 and 0.12, respectively. Thus, the DDBD methodology presented in this paper has been shown to give accurate and reliable results.
The classical two-degree-of-freedom (2-d-o-f) "sectional model" is currently used to study the dynamics of suspension bridges. Taking into account the first pair of vertical and torsional modes of the bridge, it describes well global oscillations caused by wind actions on the deck and yields very useful information on the overall behaviour and the aerodynamic and aeroelastic response, but does not consider relative oscillation between main cables and deck. The possibility of taking into account these relative oscillations, that can become significant for very long span bridges, is the main purpose of the 4-d-o-f model, proposed by the Authors in previous papers and fully developed here. Longitudinal deformability of the hangers (assumed linear elastic in tension and unable to react in compression) and external loading on the cables are taken into account: thus not only global oscillations, but also relative oscillations between cables and deck can be described. When the hangers go slack, large nonlinear oscillations are possible; if the hangers remain taut, the oscillations are small and essentially linear. This paper describes the model proposed for small and large oscillations, and investigates in detail the limit condition for linear response under harmonic actions on the cables (e.g., like those that could be generated by vortex shedding). These results are sufficient to state that, with geometric and mechanical parameters in a range corresponding to realistic cases of large span suspension bridges, large relative oscillations between main cables and deck cannot be excluded, and therefore should not be neglected in the design. Forthcoming papers will investigate more general cases of loading and dynamic response of the model.
The Taechong Dam completed in 1980 is a composite dam at which a junction was formed partly by butting the core against the end face of the concrete gravity section and partly by the core overlapping the upstream face of the concrete. In order to evaluate the performance of the junction, the interfaces between the concrete dam and core of the embankment dam were well instrumented with total pressure cells and piezometers. A nonlinear incremental finite element analysis simulating its construction behaviour was carried out under plane strain conditions. Material parameters for the core are determined from triaxial tests on the specimens, sampled in the quarry site and compacted to the field dry density at the field moisture content. Material parameters for the filter, transition materials and the rockfill are estimated from literature. When compared with the earth pressures measured at the interfaces, the analytical results show good agreement in the core, however, there are some discrepancy in the shell. A nonlinear model for pore pressure response is used successfully to predict the pore pressures at the interface in the core.
Increases in excess pore water pressure without change of surcharge load were reported in clay underneath embankment at Berthierville and Olga sites after the end of construction. These abnormal phenomena could not be explained by classical consolidation theory. This paper presents a nonlinear viscoplastic model to interpret an increase in pore water pressure on natural clay, The proposed model can consider the combined processes of pore water pressure dissipation according to Darcy's law and pore water pressure generation due to viscoplastic strain, as well as time-dependent viscoplastic behaviour and strain rate dependency of preconsolidation pressure. The calculated results using numerical analysis are compared with measured ones under embankments built on soft clay at Berthierville and Olga in Quebec, Canada. It may be possible to explain the phenomenon of excess pore water pressure increase after the end of construction using the proposed nonlinear viscoplastic model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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