During an earthquake, steel frame columns can be subjected to high axial forces combined with inelastic rotation demand resulting from story drift. Generally, the whole beam or component can be represented with one element. In elasto-plastic analysis, subdivision is necessary if the plastic deformation occurs within two ends of beams. If effects of the joint panel are necessarily considered in the analysis, the joint panel should be represented with an independent element. It is a special element to represent the shear deformation of the joint panel in the beam-column connection zone. Several analytical models for panel zone (PZ) behavior exist, in terms of shear force-shear distortion relationships. Among these models, the Krawinkler PZ model is the most popular one which is used in the AISC code. Some studies have pointed out that Krawinkler's model gives good results for the range of thin to medium column flanges thickness. This paper, introduces a new model to estimate the response of shear force-shear distortion for the PZ including column axial force. The model is applicable to both thin and thick column flange. To achieve an appropriate PZ mathematical model first, the effects of PZ strength and stiffness on connection response are parametrically studied using finite element models. More than one thousand and four-hundred beam-column connections are included in the parametric study, with varied parameters; then based on analytical results a simple mathematical model is presented. A comparison between the results of proposed method herein with FE analyses shows the average error especially in thick column flange is significantly reduced which demonstrates the accuracy, efficiency, and simplicity of the proposed model.
Effects of bipolar pulse driving frequency between 50 kHz and 250 kHz on the discharge shapes were analyzed by measuring plasma characteristics by OES (Optical Emission Spectroscopy) and Langmuir probe. Plasma characteristics were modeled by a simple electric field analysis and fluid plasma modeling. Discharge shapes by a continuous dc and bipolar pulsed dc were different as a dome-type and a vertical column-type at the cathode. From OES, the intensity of 811.5 nm wavelength, the one of the main peaks of Ar, decreased to about 43% from a continuous dc to 100 kHz. For increasing from 100 kHz to 250 kHz, the intensity of 811.5 nm wavelength also decreased by 46%. The electron density decreased by 74% and the electron temperature increased by 36% at the specific position due to the smaller and denser discharge shape for increasing pulse frequency. Through the numerical analysis, the negative glow shape of a continuous dc were similar to the electric potential distribution by FEM (Finite Element Method). For the bipolar pulsed dc, we found that the electron temperature increased to maximum 10 eV due to the voltage spikes by the fast electron acceleration generated in pre-sheath. This may induce the electrons and ions from plasma to increase the energetic substrate bombardment for the dense thin film growth.
Park, Sang-Hoon;Suk, Chang-Mok;Jung, Hwan-Mok;Kwon, Young-Hwan
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.2
no.1
s.3
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pp.85-92
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2002
Two way grid single-layer domes are of great advantage in fabrication and construction because of the simple fact that they have only four members at each junction. But, from a point of view of mechanics, the rectangular latticed pattern gives rise to a nonuniform rigidity-distribution in the circumferential direction. If the equivalent rigidity is considered in the axial direction of members, the in-plane equivalent shearing rigidity depends only on the in-plane bending rigidity of members and its value is very small in comparison to that of the in-plane equivalent stretching rigidity. It has a tendency to decrease buckling -strength of dome considerably by external force. But it is possible to increase buckling strength by the use of roofing covering materials connected to framework. In a case like this, shearing rigidity of roofing material increases buckling strength of the overall structure and can be designed economically from the viewpoint of practice. Therefore, the purpose of this paper, in Lamella dome and rectangular latticed dome that are a set of 2-way grid dome, is to clarify the effects of roofing covering materials for increasing of buckling strength of overall dome. Analysis method is based on FEM dealing with the geometrically nonlinear deflection problems. The conclusion were given as follows: 1. In case of Lamella domes which have nearly equal rigidity in the direction of circumference, the rigidity of roofing covering materials does not have a great influence on buckling-strength, but in rectangular latticed domes that has a clear periodicity of rigidity, the value of its buckling strength has a tendency to increase considerably with increasing rigidity of roofing covering materials 2. In case of rectangular latticed domes, as rise-span-ratio increases, models which is subjected to pressure -type-uniform loading than vertical-type-uniform loading are higher in the aspects of the increasing rate of buckling- strength according to the rate of shear reinforcement rigidity, but in case of Lamella dome, the condition of loading and rise-span-ratio do not have a great influence on the increasing rate of buckling strength according to the rate of shear reinforcement rigidity.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.51
no.6
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pp.78-86
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2014
In this paper, a novel intensity-based fiber optic vibration sensor using a mass-spring structure, which consists of four serpentine flexure springs and a rectangular aperture within a proof mass, is proposed and its feasibility test is given by the simulation and experiment. An optical collimator is used to broaden the beam which is modulated by the displacement of the rectangular aperture within the proof mass. The proposed fiber optic vibration sensor has been analyzed and designed in terms of the optical and mechanical parts. A mechanical structure has been designed using theoretical analysis, mathematical modeling, and 3D FEM (Finite Element Method) simulation. The relative aperture displacement according to the base vibration is given using FEM simulation, while the output beam power according to the relative displacement is measured by experiment. The simulated sensor sensitivity of $15.731{\mu}W/G$ and detection range of ${\pm}6.087G$ are given. By using reference signal, the output signal with 0.75% relative error shows a good stability. The proposed vibration sensor structure has the advantages of a simple structure, low cost, and multi-point sensing characteristic. It also has the potential to be made by MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) technology.
In this work, the electrical potential (EP) technique with an artificial neural networks (ANNs) for monitoring of nanostructures are used for the first time. This study employs an expert system to identify size and localize hidden nano-delamination (N.Del) inside layers of nano-pipe (N.P) manufactured from Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) laminate composite by using low-cost monitoring method of electrical potential (EP) technique with an artificial neural networks (ANNs), which are combined to decrease detection effort to discern N.Del location/size inside the N.P layers, with high accuracy, simple and low-cost. The dielectric properties of the N.P material are measured before and after N.Del introduced using arrays of electrical contacts and the variation in capacitance values, capacitance change and node potential distribution are analyzed. Using these changes in electrical potential due to N.Del, a finite element (FE) simulation model for N.Del location/size detection is generated by ANSYS and MATLAB, which are combined to simulate sensor characteristic, therefore, FE analyses are employed to make sets of data for the learning of the ANNs. The method is applied for the N.Del monitoring, to minimize the number of FE analysis in order to keep the cost and save the time of the assessment to a minimum. The FE results are in excellent agreement with an ANN and the experimental results available in the literature, thus validating the accuracy and reliability of the proposed technique.
NEXTSat-1 is the next-generation small-size artificial satellite system planed by the Satellite Technology Research Center(SatTReC) in Korea Advanced Institute of Science and Technology(KAIST). For the control of attitude and transition of the orbit, the system has adopted a RHM(Resisto-jet Head Module), which has a very simple geometry with a reasonable efficiency. An axisymmetric model is devised with two coil-resistance heaters using xenon(Xe) gas, and the minimum required specific impulse is 60 seconds under the thrust more than 30 milli-Newton. To design the module, seven basic parameters should be decided: the nozzle shape, the power distribution of heater, the pressure drop of filter, the diameter of nozzle throat, the slant length and the angle of nozzle, and the size of reservoir, etc. After quasi one-dimensional analysis, a theoretical value of specific impulse is calculated, and the optima of parameters are found out from the baseline with a series of multi-physical numerical simulations based on the compressible Navier-Stokes equations for gas and the heat conduction energy equation for solid. A commercial code, COMSOL Multiphysics is used for the computation with a FEM (finite element method) based numerical scheme. The final values of design parameters indicate 5.8% better performance than those of baseline design after the verification with all the tuned parameters. The present method should be effective to reduce the time cost of trial and error in the development of RHM, the thruster of NEXTSat-1.
In the fabrication of offshore oil and gas facilities, the significance of dimension control is growing continuously. But, it is difficult to determine the deformation of the structure during fabrication by simple lab tests due to the large size and the complicated shape. Strain-boundary method (a kind of shrinkage method) based on the shell element was proposed to predict the welding distortion of a structure effectively. Modeling of weld geometry in shell element is still a difficult task. In this paper, a concept of imaginary temperature pair is introduced to handle the effect of geometric factors such as groove shape, plate thickness and pass number, etc. Single pass imaginary temperature pair formula is derived from the relation between the groove area and the FE mesh size. By considering the contribution of each weld layer to the whole weldment, multi-pass imaginary temperature is also derived. Since the temperature difference represents the distortion increment, cumulative distortion curve can be drawn by integrating the temperature difference. This curve will be a useful solution when engineers meet some problems occurred in the shipyard. A typical example is shown about utilization of this curve. Several verifications are conducted to examine the validity of the proposed methodology. The applicability of the model is also demonstrated by applying it to the fabrication process of the heavy ship block. It is expected that the imaginary temperature model can effectively solve the modeling problem in shell element. It is also expected that the cumulative distortion curve derived from the imaginary temperature can offer useful qualitative information about angular distortion without FE analysis.
Traditional external post-tensioning method using either steel bars or tendons is commonly used as a retrofitting method for concrete bridges. However, the external post-tensioning method has some disadvantages such as stress concentration at anchorages and inefficient load carrying capability regarding live loads. Thermal prestressing method is a newly proposed method for strengthening and rehabilitation of concrete girder bridges. Founded on a simple concept of thermal expansion and contraction of steel, the method is a hybrid method of external post-tensioning and steel plate bonding, combining the merits of two methods. In this paper, basic concepts of the method are presented and an illustrative experiment is introduced. From actual experimental data, the thermal prestressing effect is substantiated and the FEM approach for its analysis is verified.
Traditional external post-tensioning method using either steel bars or tendons is commonly used as a retrofitting method for steel composite bridges. However, the method has some disadvantages such as stress concentration at anchorages and inefficient load-carrying capability of live loads. Multi-stepwise prestressing method using thermal expanded coverplate is a newly proposed prestressing method, which was originally developed for prestressing steel structures. A new retrofitting method for steel girder bridges founded on a simple concept of thermal expansion and contraction of cover plate, the method is a hybrid of and combines the advantages of external post-tensioning and thermal prestressing. In this paper, basic concepts of the method are presented and an illustrative experiment is introduced. From actual experimental data, the thermal prestressing effect was substantiated and the FEM approach for its analysis was verified. The retrofitting effects ofa single-span bridge were analyzed and the feasibility of the developed method was examined.
Kim, Ill-Soo;Kim, Hak-Hyoung;Jang, Han-Kee;Kim, Hee-Jin;Kwak, Sung-Kyu;Ryoo, Hoi-Soo;Shim, Ji-Yeon
Journal of Welding and Joining
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v.27
no.4
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pp.54-59
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2009
In the process to manufacture for metallic structures, control of welding deformation is one of an important problems connected with reliability of the manufactured structures so that welding deformation should be measured and controlled with quickly and actively. Also, welding parameters which have as lot of effects on welding deformation such as arc voltage, welding current and welding speed can also be controlled. The objectives for this study were to develop a simple 2-D FEM to calculate not only the transient thermal histories but also the sizes of fusion and heat-affected zone (HAZ) in multi pass arc welds including the butt and fillet weld type with dissimilar thickness, and to concentrate on a developed model for the finding the parameters of Godak's moving heat source model based on a GA. The developed model includes a GA program using MATLB and GA toolbox, and a batch mode thermal model using ANSYS software. Not only the thermal model was verified by comparison with Goldak's work but also the developed model was validated with molten zone section experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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