With an active structural involvement in spiral case structure (SCS) that is always the design and research focus of hydroelectric power plant (HPP), the compressible membrane sandwiched between steel spiral case and surrounding reinforced concrete was often assumed to be linear elastic material in conventional design analysis of SCS. Unfortunately considerable previous studies have proved that the foam material serving as membrane exhibits essentially nonlinear mechanical behavior. In order to clarify the effect of membrane (foam) material's nonlinear stress-strain behavior on SCS, this work performed a case study on SCS with a compressible membrane using the ABAQUS code after a sound calibration of the employed constitutive model describing foam material. In view of the successful capture of fitted stress-strain curve of test by the FEM program, we recommend an application and dissemination of the simulation technique employed in this work for membrane material description to structural designers of SCS. Even more important, the case study argues that taking into account the nonlinear stress-strain response of membrane material in loading process is definitely essential. However, we hold it unnecessary to consider the membrane material's hysteresis and additionally, employment of nonlinear elastic model for membrane material description is adequate to the structural design of SCS. Understanding and accepting these concepts will help to analyze and predict the structural performance of SCS more accurately in design effort.
Park, Chul-Soo;Choi, Chan-Yong;Choi, Chung-Lak;Mok, Young-Jin
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.03a
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pp.587-598
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2008
In the trackbed design using elastic multi-layer model, the stress-dependent resilient modulus is an important input parameter, which reflects substructure performance under repeated traffic loading. The resilient moduli of crushed stone and weathered granite soil were developed using nonlinear dynamic stiffness, which can be measured by in-situ and laboratory seismic tests. The prediction models of resilient modulus varying with the deviatoric or bulk stress were proposed (Park et al., 2008). To investigate the performance of the prediction models proposed herein, the elastic response of the test trackbed near PyeongTaek, Korea was evaluated using a 3-D nonlinear elastic computer program (GEOTRACK) and compared with measured elastic vertical displacement during the passages of freight and passenger trains. The material types of the test sub-ballasts are crushed stone and weathered granite soil, respectively. The calculated vertical displacements within the sub-ballasts are within the order of 1mm, and agree well with measured values with the reasonable margin. The prediction models are thus concluded to work properly in the preliminary investigation. The prediction models proposed for resilient modulus were verified by the comparison of the calculated vertical displacements with measured ones during train passages.
Le, Thu M.;Fatahi, Behzad;Disfani, Mahdi;Khabbaz, Hadi
Geomechanics and Engineering
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v.8
no.4
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pp.559-594
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2015
A nonlinear creep function incorporated into the elastic visco-plastic model may describe the long-term soil deformation more accurately. However, by applying the conventional procedure, there are challenges to determine the model parameters due to limitation of suitable data points. This paper presents a numerical solution to obtain several parameters simultaneously for a nonlinear elastic visco-plastic (EVP) model using the available consolidation data. The finite difference scheme using the Crank-Nicolson procedure is applied to solve a set of coupled partial differential equations of the time dependent strain and pore water pressure dissipation. The model parameters are determined by applying the algorithm of trust-region reflective optimisation in conjunction with the finite difference solution. The proposed method utilises all available consolidation data during dissipation of the excess pore water pressure to determine the required model parameters. Moreover, the reference time in the elastic visco-plastic model can readily be adopted as a unit of time; denoting creep is included in the numerical predictions explicitly from the very first time steps. In this paper, the settlement predictions of thick soft clay layers are presented and discussed to evaluate and compare the accuracy and reliability of the proposed method against the graphical procedure to obtain the model parameters. In addition, comparison of the available experimental results to the numerical predictions confirms the accuracy of the numerical procedure.
Dang, Van-Hieu;Sedighi, Hamid M.;Chan, Do Quang;Civalek, Omer;Abouelregal, Ahmed E.
Structural Engineering and Mechanics
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v.78
no.1
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pp.103-116
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2021
In this work, a model of a functionally graded (FG) nanotube conveying fluid embedded in an elastic medium is developed based on the nonlocal strain gradient theory (NSGT) in conjunction with Euler-Bernoulli beam theory (EBT). The main objective of this research is to investigate the nonlinear vibration and stability analysis of fluid-conveying nanotubes. The governing equations of motion are derived by means of Hamiltonian principle. The analytical expressions of nonlinear frequencies and critical flow velocities for two different types of boundary conditions including pinned-pinned (P-P) and clamped-clamped (C-C) conditions are obtained by employing Galerkin method as well as Hamiltonian Approach (HA). Comparison of the obtained results with the published works show the acceptable accuracy of the current solutions. The effects of the power-law index, the nonlocal and material length scale parameters and the elastic medium on the stability and nonlinear responses of FG nanotubes are thoroughly investigated and discussed.
The foundation of a tall building frame resting on settable soil mass undergoes differential settlements which alter the forces in the structural members significantly. For tall buildings it is essential to consider seismic forces in analysis. The building frame, foundation and soil mass are considered to act as single integral compatible structural unit. The stress-strain characteristics of the supporting soil play a vital role in the interaction analysis. The resulting differential settlements of the soil mass are responsible for the redistribution of forces in the superstructure. In the present work, the nonlinear interaction analysis of a two-bay ten-storey plane building frame- layered soil system under seismic loading has been carried out using the coupled finite-infinite elements. The frame has been considered to act in linear elastic manner while the soil mass to act as nonlinear elastic manner. The subsoil in reality exists in layered formation and consists of various soil layers having different properties. Each individual soil layer in reality can be considered to behave in nonlinear manner. The nonlinear layered system as a whole will undergo differential settlements. Thus, it becomes essential to study the structural behaviour of a structure resting on such nonlinear composite layered soil system. The nonlinear constitutive hyperbolic soil model available in the literature is adopted to model the nonlinear behaviour of the soil mass. The structural behaviour of the interaction system is investigated as the shear forces and bending moments in superstructure get significantly altered due to differential settlements of the soil mass.
In this paper, a finite viscoelastic continuum model for rubber and its finite element analysis are presented. This finite viscoelatic model based on continuum mechanics is an extended model of Johnson and Wuigley's 1-D model. In this extended model, continuum based kinematic measures are rigorously defied and by using this kinematic measures, elastic stage law and flow rule are introduced. In kinematics, three configuration are introduced. In kinematics, three configuration are introduced. They are reference, current and virtual visco configurations. In elastic state law, it is assumed that at a certain time, there exists an elastic potential which describes the recoverable elastic energy. From this elastic potential, elastic state law is derived. The proposed flow rule is based on phenomenological observation. The flow rule gives precise relaxation response. In finite element approximation, mixed Lagrangian description is used, where total and similar method of updated Lagrangian descriptions are used together. This approach reduces the numerical job and gives simple nonlinear syatem of equations. To satisfy the incompressible condition, penalty-type modified Mooney-Rivlin energy function is adopted. By this method nearly incompressible condition is obtain the virtual visco configuration. For verification, uniaxial stretch tests are simulated for various stretch rates. The simulated results show good agreement with experiments. As a practical experiments. As a preactical example, pressurized rubber plate is simulated. The result shows finite viscoelastic effects clearly.
This paper presents an elastic-plastic solution for the circular tunnel of elastic-strain softening behavior considering the pressure-dependent Young's modulus and the nonlinear dilatancy. The proposed solution is verified by the results of the field measuring and numerical simulation from a practical project, and a published closed-form analysis solution. The influence of each factor is discussed in detail, and the ability of Young's modulus and dilatancy characterizing the mechanical response of surrounding rock is investigated. It is found that, in low levels of support pressure, adopting the constant Young's modulus model will seriously misestimate the surrounding rock deformation. Using the constant dilatancy model will underestimate the surrounding rock deformation. When adopting the constant dilatancy model, as the dilation angle increases, the range of the plastic region increases, and the surrounding rock deformation weakens. When adopting the nonlinear dilatancy, the plastic region range and the surrounding rock deformation are the largest. The surrounding rock deformation using pressure-dependent Young's modulus model is between those resulted from two constant Young's modulus models. The constant α of pressuredependent Young's modulus model is the main factor affecting the tunnel displacement. The influence of α using a constant dilatancy model is much more apparent than that using a nonlinear dilatancy model.
The objective of this paper is to develop a size-dependent nonlinear model of beams for fluid-conveying nanotubes with an initial deflection. The nonlinear frequency response of the nanotube is analysed via an Euler-Bernoulli model. Size influences on the behaviour of the nanosystem are described utilising the nonlocal strain gradient theory (NSGT). Relative motions at the inner wall of the nanotube is taken into consideration via Beskok-Karniadakis model. Formulating kinetic and elastic energies and then employing Hamilton's approach, the nonlinear motion equations are derived. Furthermore, Galerkin's approach is employed for discretisation, and then a continuation scheme is developed for obtaining numerical results. It is observed that an initial deflection significantly alters the frequency response of NSGT nanotubes conveying fluid. For small initial deflections, a hardening nonlinearity is found whereas a softening-hardening nonlinearity is observed for large initial deflections.
This paper describes the tribological effects on the nonlinear behavior of a spur gear pair with one-way clutch according to the direct contact elastic deformation model over a wide range of speeds, considering the hydrodynamic effects. The effects of various lubrication parameters, such as viscosity, film width, and friction, on the nonlinear dynamic behavior were analyzed. Forces due to the entraining velocity and the hydrodynamic friction were about two orders smaller than normal forces over the whole speed range. While the viscosity has a strong effect on the behavior of gear pair systems, friction has very little effect on torsional behavior. The inclusion of the hydrodynamic effect facilitates nonlinearity by increasing the overlap and damping, as well as decreasing elastic deformation and tooth reaction forces.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.25-32
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1998
Most recent seismic design codes include Response Modification Factor(RMF) for determining equivalent lateral forces. The RMF is used to reduce the linear elastic design spectrum to account for the energy dissipation capacity, overstrength and damping of the structure. In this study the RMF is defined as the ratio of the absolute maximum linear elastic base shear to the absolute maximum nonlinear base shear of a structure subject to the same earthquake accelerogram. This study investigates the effect of hysteretic model, as well as target ductility ratio and natural period on duct based RMF using nonlinear dynamic analyses of the SDOF systems. Special emphasis is given to the effects of the hysteretic characteristics such as strength deterioration and stiffness degradation. Results indicate that RMFs are dependent on ductility, period and hysteretic model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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