Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.6
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pp.627-637
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2009
Composite materials have been employed in the various engineering applications due to high mechanical performances including high strength-weight ratio and high degree of free formability. Due to complex manufacturing process, however, it can have intrinsic randomness in the material constants which affect the deterministic behavior of the composite structures. In this study, we suggest a formulation for stochastic finite element analysis considering the spatial randomness of Poisson's ratio. Considering the reciprocal relation between elastic moduli and Poisson's ratios in the two mutually orthogonal axes, one of two values of Poisson's ratio can be expressed in terms of the other. Using this, the relation between stress resultants and strains is derived in the ascending order of power of the stochastic field function, which can be directly used in the formulation to obtain the coefficient of variation of responses. The adequacy of the proposed scheme is demonstrated by comparison with the results of Monte Carlo analysis.
This paper describes the results of structural integrity and crashworthiness of Automatic Guideway Transit(AGT) vehicle made of sandwich composites. The applied sandwich composite of vehicle structure was composed of aluminum honeycomb core and WR580/NF4000 glass fabric/epoxy laminate composite facesheet. Material testing was conducted to determine the input parameters for the composite facesheet model, and the effective equivalent damage model fer the orthotropic honeycomb core material. The finite element analysis using ANSYS v11.0 was dont to evaluate structural integrity of AGT vehicle according to JIS E 7105 and ASCE 21-98. Crashworthiness analysis was carried out using explicit finite element code LS-DYNA3D with the lapse of time. The crash condition was frontal accident with speed of 10km/h at rigid wall. The results showed that the structural integrity and crashworthiness of AGT vehicle were proven under the specified loading and crash conditions. Also, the modified Chang-Chang failure criterion was recommended to evaluate the failure modes of composite structures after crashworthiness event.
This paper presents the evaluation of crashworthiness and rollover characteristics of low-floor bus vehicles made of aluminum honeycomb sandwich composites with glass-fabric epoxy laminate facesheets. Crashworthiness and rollover analysis of low-floor bus was carried out using explicit finite element analysis code LS-DYNA3D with the lapse of time. Material testing was conducted to determine the input parameters for the composite laminate facesheet model, and the effective equivalent damage model for the orthotropic honeycomb core material. The crash conditions of low-floor bus were frontal accident with speed of 60km/h. Rollover analysis were conducted according to the safety rules of European standard (ECE-R66). The results showed that the survival space for driver and passengers was secured against frontal crashworthiness and rollover of low-floor bus. Also, The modified Chang-Chang failure criterion is recommended to predict the failure mode of composite structures for crashworthiness and rollover analysis.
This paper describes the results of experiments and numerical simulation studies on the low-velocity impact damage of two different sandwich composite panels for application to bodyshell and floor structure of the BIMODAL tram vehicle. Square test samples of 100mm sides were subjected to low-velocity impact loading using an instrumented testing machine at four impact energy levels. Part of this work presented is focused on the finite element analysis of low-velocity impact response onto a sandwich composite panels. It is based on the application of explicit finite element (FE) analysis codes LS-DYNA 3D to study the impact response of sandwich structures under low-velocity impact conditions. Material testing was conducted to determine the input parameters for the metallic and composite material model, and the effective equivalent damage model for the orthotropic honeycomb materials. Numerical and experimental results showed a good agreement for damage area and the depth of indentation of sandwich composite panels created by the impact loading.
Fatigue cracks of rib-to-deck (RD) joints have been frequently observed in the orthotropic steel decks (OSD) using conventional U-ribs (CU). Thickened edge U-rib (TEU) is proposed to enhance the fatigue strength of RD joints, and its effectiveness has been proved through fatigue tests. In-depth full-scale tests are further carried out to investigate both the fatigue strength and fractography of RD joints. Based on the test result, the mean fatigue strength of TEU specimens is 21% and 17% higher than that of CU specimens in terms of nominal and hot spot stress, respectively. Meanwhile, the development of fatigue cracks has been measured using the strain gauges installed along the welded joint. It is found that such the crack remains almost in semi-elliptical shape during the initiation and propagation. For the further application of TEUs, the design curve under the specific survival rate is required for the RD joints using TEUs. Since the fatigue strength of welded joints is highly scattered, the design curves derived by using the limited test data only are not reliable enough to be used as the reference. On this ground, an experiment-numerical hybrid approach is employed. Basing on the fatigue test, a probabilistic assessment model has been established to predict the fatigue strength of RD joints. In the model, the randomness in material properties, initial flaws and local geometries has been taken into consideration. The multiple-site initiation and coalescence of fatigue cracks are also considered to improve the accuracy. Validation of the model has been rigorously conducted using the test data. By extending the validated model, large-scale databases of fatigue life could be generated in a short period. Through the regression analysis on the generated database, design curves of the RD joint have been derived under the 95% survival rate. As the result, FAT 85 and FAT 110 curves with the power index m of 2.89 are recommended in the fatigue evaluation on the RD joint using TEUs in terms of nominal stress and hot spot stress respectively. Meanwhile, FAT 70 and FAT 90 curves with m of 2.92 are suggested in the evaluation on the RD joint using CUs in terms of nominal stress and hot spot stress, respectively.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.11
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pp.1345-1352
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2012
This paper aims to evaluate the low-velocity impact responses and mechanical properties of balsa-wood and urethane-foam core materials and their sandwich panels, which are applied as the impact limiter of a nuclear spent fuel shipping cask. For the urethane-foam core, which is isotropic, tensile, compressive, and shear mechanical tests were conducted. For the balsa-wood core, which is orthotropic and shows different material properties in different orthogonal directions, nine mechanical properties were determined. The impact test specimens for the core material and their sandwich panel were subjected to low-velocity impact loads using an instrumented testing machine at impact energy levels of 1, 3, and 5 J. The experimental results showed that both the urethane-foam and the balsa-wood core except in the growth direction (z-direction) had a similar impact response for the energy absorbing capacity, contact force, and indentation. Furthermore, it was found that the urethane-foam core was suitable as an impact limiter material owing to its resistance to fire and low cost, and the balsa-wood core could also be strongly considered as an impact limiter material for a lightweight nuclear spent fuel shipping cask.
In this study, physical and geotechnical properties of the light weight mixed soil( weathered granite soil mixed with small pieces of waste EPS) were analyzed by laboratory experiments to examine its suitability for backfill materials of the reinforced-earth walls. Friction characteristics of geogrid-light weight sized soil were also investigated by performing the pullout tests for two types of geogrids having different flexural rigidity. Also a procedure was proposed to evaluate friction strength between geogrid and light weight miffed soil by using a stress-strain relationship of the orthotropic composite material subjected to both longitudinal and vertical loadings. By the procedure proposed in this study, values of the calibration coefficients ul and uf applicable for the evaluation of friction strengths between two types of geogrids and light weight mixed soils were further presented.
Hawileh, Rami A.;Abdalla, Jamal A.;Tanarslan, Murat H.;Naser, Mohannad Z.
Computers and Concrete
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v.8
no.2
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pp.193-206
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2011
The use of Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) to strengthen reinforced concrete beams under bending and shear has gained rapid growth in recent years. The performance of shear strengthened beams with externally bonded CFRP laminate or fabric strips is raising many concerns when the beam is loaded under cyclic loading. Such concerns warrant experimental, analytical and numerical investigation of such beams under cyclic loading. To date, limited investigations have been carried out to address this concern. This paper presents a numerical investigation by developing a nonlinear finite element (FE) model to study the response of a cantilever reinforced concrete T-beam strengthened in shear with side bonded CFRP fabric strips and subjected to cyclic loading. A detailed 3D nonlinear finite element model that takes into account the orthotropic nature of the polymer's fibers is developed. In order to simulate the bond between the CFRP sheets and concrete, a layer having the material properties of the adhesive epoxy resin is introduced in the model as an interface between the CFRP sheets and concrete surface. Appropriate numerical modeling strategies were used and the response envelope and the load-displacement hysteresis loops of the FE model were compared with the experimental response at all stages of the cyclic loading. It is observed that the responses of the FE beam model are in good agreement with those of the experimental test. A parametric study was conducted using the validated FE model to investigate the effect of spacing between CFRP sheets, number of CFRP layers, and fiber orientation on the overall performance of the T-beam. It is concluded that successful FE modeling provides a practical and economical tool to investigate the behavior of such strengthened beams when subjected to cyclic loading.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.1
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pp.65-71
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2016
In recent years, 3D printing has received increasing attention due to releases of low-cost 3D printers based on open-source platform. 3D printing is expected to reduce the barrier to entry in the traditional manufacturing processes by increasing flexibility and creating an advantage to manufacture customized products at low costs. In this study, a unique eyeglass frame was designed to have a snake shape, which has an asymmetric geometry unlike traditional frames. The eyeglass frame was designed in a customized manner by reflecting dimensional characteristics of a customer's face. Finite element analysis was performed to investigate the structural safety of the 3D printed frames during the assembly process. The analysis also considered the effect of anisotropic material properties as determined by tensile tests. The eyeglass frame was then printed using the customized sizes and the best building process. The eyeglass frame was successfully assembled with lenses and without structural failure during its assembly procedure.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.5
no.4
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pp.349-360
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2003
A practical modeling approach has been proposed in this study to better understand the behavior of penetration grouting which is normally applied to the jointed rock masses to increase the bearing capacity and to reduce the ground water flow into the tunnel. Based on Bingham model together with a steady-state flow of the grout, penetration model is simulated in the commercial package called UDEC and, injection pressure as well as joint thickness are found to be the main parameters to determine the range of grout spread. Another numerical model on fracturing grouting is also suggested and, in this case, the tensile strength as well as cohesion of the rock masses are proven to be the major factors to decide the fracturing mechanism of the rock masses. The reinforcement effect of the grout-reinforced rock masses is calculated from the suggested algorithm on orthotropic material model and it is found that the directional stiffness of reinforced rock masses is increased up to 3 to 4 times compared with original jointed rock masses. Future work will be concentrated on the water control around the tunnel by the grout injection and a model test will also be performed to verify the suggested methods developed in this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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