Post-Katrina investigations revealed that most earthen levee damage occurred on the levee crest and landward-side slope as a result of either wave overtopping, storm surge overflow, or a combination of both. In this paper, combined wave overtopping and storm surge overflow of a levee embankment strengthened with high performance turf reinforcement mat (HPTRM) system was studied in a purely Lagrangian and meshless approach, two-dimensional smoothed particle hydrodynamics (SPH) model. After the SPH model is calibrated with full-scale overtopping test results, the overtopping discharge, flow thickness, flow velocity, average overtopping velocity, shear stress, and soil erosion rate are calculated. New equations are developed for average overtopping discharge. The shear stresses on landward-side slope are calculated and the characteristics of soil loss are given. Equations are also provided to estimate soil loss rate. The range of the application of these equations is discussed.
We investigated complex damped modes in beams in the presence of a viscoelastic layer sandwiched between two elastic layers. The problem was solved using two approaches, (1) Rayleigh beam theory and analyzed using the Ritz method, and (2) by using 2D plane stress elasticity based finite-element method. The damping in the layers was modeled using the complex modulus. Simply-supported, cantilever, and viscously supported boundary conditions were considered in this study. Simple trigonometric functions were used as admissible functions in the Ritz method. The key idea behind sandwich structure is to increase damping in a beam as affected by the presence of a highly-damped core layer vibrating mainly in shear. Different assumptions are utilized in the literature, to model shear deformation in the core layer. In this manuscript, we used FEM without any kinematic assumptions for the transverse shear in both the core and elastic layers. Moreover, numerical examples were studied, where the base and constraining layers were also damped. The loss factor was calculated by modal strain energy method, and by solving a complex eigenvalue problem. The efficiency of the modal strain energy method was tested for different loss factors in the core layer. Complex mode shapes of the beam were also examined in the study, and a comparison was made between viscoelastically and viscously damped structures. The numerical results were compared with those available in the literature, and the results were found to be satisfactory.
This paper investigates the flexural capacity of simply supported steel-concrete composite I beam and box beam under positive bending moment through combined experimental and finite element (FE) modeling. 24 composite beams are included into the experiments and parameters including shear connection degree, transverse reinforcement ratio, section form of girder, diameter of stud and loading way are also considered and investigated. ABAQUS is employed to establish FE models to simulate the behavior of composite beams. The influences of a few key parameters, such as the shear connection degree, stud arrangement, stud diameter, beam length and loading way, on flexural capacity are discussed. In addition, three methods including GB standard, Eurocode 4, and Nie method are also used to estimate the flexural capacity of composite beams and also for comparison with experimental and numerical results. The results indicate that Nie method may provide a better estimation in comparison to other two standards.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.7
s.94
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pp.1719-1730
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1993
This paper presents the theoretical natural frequencies of out-of-plane deformable ring based on the variables such as out-of-plane deflection, torsional rotation and shear rotation. Based on the same variables, a finite element eigen analysis is carried out by using the $C^0$-continuous, isoparametric element which has three nodes per element and three degrees-of-freedom at each node. Numerical experiments are peformed to find the integration scheme which produces accurate natural frequencies, natural modes and correct rigid body motion. The uniformly reduced integration and the selective reduced integration give more accurate numerical frequencies than the uniformly full integration, but the uniformly reduced integration produces incorrect rigid body motion while selective reduced integration does correct one. Therefore, the ring element based on the three variables which employes selective reduced integration is recommended to avoid spurious modes, to alleviate the error due to shear locking and to produce correct rigid body motion, simultaneously.
Attarchiana, Nahid;Kalantari, Afshin;Moghadam, Abdolreza S.
Earthquakes and Structures
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v.10
no.6
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pp.1467-1486
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2016
This research focuses on seismic performance of a class of single pier skewed bridges with three different pier-deck connections; skew angles vary from $0^{\circ}$ to $60^{\circ}$. A well-documented four span continuous deck bridge has been modeled and verified. Seat-type connections with fixed and sliding bearings plus monolithic pier-deck connections are studied. Shear keys are considered either fully operational or ineffective. Seismic performances of the bridges and the structural components are investigated conducting bidirectional nonlinear time history analysis in OpenSees. Several global and intermediate engineering demand parameters (EDP) have been studied. On the basis of results, the values of demand parameters of skewed bridges, such as displacement and rotation of the deck plus plastic deformation and torsional demand of the piers, increase as the skew angle increases. In order to eliminate the deck collapse probability, the threshold skew angle is considered as $30^{\circ}$ in seat-type bridges. For bridges with skew angles greater than $30^{\circ}$, monolithic pier-deck connections should be applied. The functionality of shear keys is critical in preventing large displacements in the bearings. Pinned piers experience considerable ductility demand at the bottom.
Six specimens are tested to investigate the cyclic behavior of beam-to-column abnormal joints in steel moment-resisting frames, which are designed according to the principle of strong-member and weak-panel zone. Key parameters include the axial compression ratio of column and the section depth ratio of beams. Experimental results indicate that four types of failure patterns occurred during the loading process. The $P-{\Delta}$ hysteretic loops are stable and plentiful, but have different changing tendency at the positive and negative direction in the later of loading process due to mechanical behaviors of specimens. The ultimate strength tends to increase with the decrease of the section depth ratio of beams, but it is not apparent relationship to the axial compression ratio of column, which is less than 0.5. The top panel zone has good deformation capacity and the shear rotation can reach to 0.04 rad. The top panel zone and the bottom panel zone don't work as a whole. Based on the experimental results, the equation for shear strength of the abnormal joint panel zone is established by considering the restriction of the bottom panel zone to the top panel zone, which is suitable for the abnormal joint of H-shaped or box column and beams with different depths.
This paper investigates the flexural stiffness of simply supported steel-concrete composite I-beams under positive bending moment through combined experimental, numerical, and different standard methods. 14 composite beams are tested for experimental study and parameters including shear connection degree, transverse and longitudinal reinforcement ratios, loading way are also investigated. ABAQUS is employed to establish finite element (FE) models to simulate the flexural behavior of composite beams. The influences of a few key parameters, such as the shear connection degree, stud arrangement, stud diameter, beam length, loading way, on the flexural stiffness is also studied by parametric study. In addition, three widely used standard methods including GB, AISC, and British standards are used to estimate the flexural stiffness of the composite beams. The results are compared with the experimental and numerical results. The findings have provided comprehensive understanding of the flexural stiffness and the modelling of the composite beams. The results also indicate that GB 50017-2003 could provide better results in comparison to the other standards.
Earlier studies on hollow-circular rubber bearings, all of which are conducted for steel-reinforced bearings, indicate that the hole presence not only decreases the compression modulus of the bearing but also increases the maximum shear strain developing in the bearing due to compression, both of which are basic design parameters also for fiber-reinforced rubber bearings. This paper presents analytical solutions to the compression problem of hollow-circular fiber-reinforced rubber bearings. The problem is handled using the most-recent formulation of the "pressure method". The analytical solutions are, then, used to investigate the effects of reinforcement flexibility and hole presence on bearing's compression modulus and maximum shear strain in the bearing in view of four key parameters: (i) reinforcement extensibility, (ii) hole size, (iii) bearing's shape factor and (iv) rubber compressibility. It is shown that the compression stiffness of a hollow-circular fiber-reinforced bearing may decrease considerably as reinforcement flexibility and/or hole size increases particularly if the shape factor of the bearing is high and rubber compressibility is not negligible. Numerical studies also show that the existence of even a very small hole can increase the maximum shear strain in the bearing significantly, which has to be considered in the design of such annular bearings.
This paper aims to study the seismic performance of external diaphragm connection between SST (square steel tube) column and H-shaped beam through experimental and analytical study involving finite element (FE) method and theoretical analysis. In the experimental study, three external diaphragm connection specimens with weak panel zone were tested under axial pressure on the top of the column and antisymmetric cyclic loads at the beam end to investigate the seismic performance of the panel zone. The hysteretic behavior, failure mode, stiffness and ductility of the specimens were discussed. Key point to be explored was the influence of the thickness of the steel tube flange on the shear capacity of the specimens. In the analytical study, three simplified FE models were developed to simulate the seismic behavior of the specimens for further analysis on the influence of steel tube flange. Finally, four existing calculation formulas for the shear capacity of the external diaphragm connection were evaluated through comparisons with the results of experiments and FE analysis, and application suggestions were put forward.
Steel plate-concrete composite slabs provide attractive features, such as more effective loading transfer, and more cost-effective stay-in-place forms, thereby enabling engineers to design more high-performance light structures. Although significant studies in the literatures have been directed toward designing and implementing the steel plate-concrete composite beams, there are limited data available for understanding of the composite slabs. To fill this gap, nine the composite slabs with different variables in this study were tested to unveil the impacts of the critical factors on the ultimate strength behavior. The key information of the findings included sample failure modes, crack pattern, and ultimate strength behavior of the composite slabs under either four-point or three-point loading. Test results showed that the failure modes varied from delamination to shear failures under different design factors. Particularly, the shear stud spacing and thicknesses of the concrete slabs significantly affected their ultimate load-carrying capacities. Moreover, an analytical model of the composite slabs was derived for determining their ultimate load-carrying capacity and was well verified by the experimental data. Further extensive parametric study using the proposed analytical methods was conducted for a more comprehensive investigation of those critical factors in their performance. These findings are expected to help engineers to better understand the structural behavior of the steel plate-concrete composite slabs and to ensure reliability of design and performance throughout their service life.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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