International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.4
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pp.1130-1147
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2014
Large size ships have a very flexible construction resulting in low resonance frequencies of the structural eigen-modes. This feature increases the dynamic response of the structure on short period waves (springing) and on impulsive wave loads (whipping). This dynamic response in its turn increases both the fatigue damage and the ultimate load on the structure; these aspects illustrate the importance of including the dynamic response into the design loads for these ship types. Experiments have been carried out using a segmented scaled model of a container ship in a Seakeeping Basin. This paper describes the development of the model for these experiments; the choice was made to divide the hull into six rigid segments connected with a flexible beam. In order to model the typical feature of the open structure of the containership that the shear center is well below the keel line of the vessel, the beam was built into the model as low as possible. The model was instrumented with accelerometers and rotation rate gyroscopes on each segment, relative wave height meters and pressure gauges in the bow area. The beam was instrumented with strain gauges to measure the internal loads at the position of each of the cuts. Experiments have been carried out in regular waves at different amplitudes for the same wave period and in long crested irregular waves for a matrix of wave heights and periods. The results of the experiments are compared to results of calculations with a linear model based on potential flow theory that includes the effects of the flexural modes. Some of the tests were repeated with additional links between the segments to increase the model rigidity by several orders of magnitude, in order to compare the loads between a rigid and a flexible model.
A theoretical study was performed to investigate the behavioral chracteristics and shear strength of fiber reinforced concrete slender beams. In the fiber reinforced concrete beam, the shear force applied to a cross section of the beam was resisted by both compressive zone and tensile zone. The shear capacity of the compressive zone was defined addressing the interaction with the normal stresses developed by the flexural moment in the cross section. The shear capacity of the tensile zone was defined addressing the post-cracking tensile strength of fiber reinforced concrete. Since the magnitude and distribution of the normal stresses vary according to the flexural deformation of the beam, the shear capacity of the beam was defined as a function of the flexural deformation of the beam. The shear strength of the beam and the location of the critical section were determined at the intersection between the shear capacity and shear demand curves. The proposed method was developed as a unified shear design method which is applicable to conventional reinforced concrete as well as fiber reinforced concrete.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.33
no.3
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pp.107-113
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2005
A calorimeter of 2-ton thrust level rocket engine chamber has been developed to measure the wall heat flux. The liner of the chamber is made of copper-chromium alloy to maximize the heat transfer performance and structural strength. 1-D design code based on empirical correlations has been used for the prediction of the global thermal characteristics while 3-D CFD has been applied for the verification of local cooling performance. The predicted average wall heat flux at the throat is 43 $MW/m^{2}$ for the combustion chamber pressure of 53 bar. The chamber structure is confirmed to be safe at the pressure of 150 bar through 2-D stress analysis and measurement of the strain of the test species. Finally, the test of pressurizing the calorimeter chamber has been performed with water at the pressure of 150 bar in room temperature environment. No thermal damage has been detected after the hot-fire test in the test nozzle of same cooling performance with the developed calorimeter though the measured throat heat flux is higher than the design value by 10%.
For the safe seismic design of buildings, it is necessary to predict the plastic deformation demands of the members as well as the story drift ratio. In the present study, a simple method of estimating the beam plastic rotation was developed for special-moment-resisting steel frame structures designed with strong column-weak beam behavior. The proposed method uses elastic analysis rather than nonlinear analysis, which is difficult to use in practice. The beam plastic rotation was directly calculated based on the results of the elastic analysis, addressing the moment redistribution, the column and joint dimensions, the movement of the plastic hinge, the panel zone deformation, the gravity load, and the strain-hardening behavior. In addition, the rocking effect of the braced frame or core wall on the beam plastic rotation was addressed. For verification, the proposed method was applied to a six-story special-moment frame designed with strong column-weak beam behavior. The predicted plastic rotations of the beams were compared with those that were determined via nonlinear analysis. The beam plastic rotations that were predicted using the proposed method correlated well with those that were determined from the nonlinear pushover analysis.
The experimentally determined mechanical behavior of the material under the prescribed service conditions is the basis of advanced engineering optimum design. To allow experimental data on the behavior of the material considered, uniaxial stress tests were made. The aforementioned tests have enabled the determination of mechanical properties of material at different temperatures, then, the material's resistance to creep at various temperatures and stress levels, and finally, insight into the uniaxial high cyclic fatigue of the material under different applied stresses for prescribed stress ratio. Based on fatigue tests, using modified staircase method, fatigue limit was determined. All these data contributes the reliability of the use of material in mechanical structures. Data representing mechanical properties are shown in the form of engineering stress-strain diagrams; creep behavior is displayed in the form of creep curves while fatigue of the material is presented in the form of S-N (maximum applied stress versus number of the cycles to failure) curve. Material under consideration was 18CrNi8 (1.5920) steel. Ultimate tensile strength and yield strength at room temperature and at temperature of $600^{\circ}C$: [${\sigma}_{m,20/600}=(613/156)MPa$; ${\sigma}_{0.2,20/600}=(458/141)MPa$], as well as endurance (fatigue) limit at room temperature and stress ratio of R = -1 : (${\sigma}_{f,20,R=-1}=285.1MPa$).
Pure bending loading conditions are not frequently occurred in practical engineering, but the flexural researches are important since it's the basis of mechanical property researches under complex loading. Hence, the objective of this paper is to investigate the flexural behavior of concrete-filled rectangular steel tube (CFRT) through combined experimental and numerical studies. Flexural tests were conducted to investigate the mechanical performance of CFRT under bending. The load vs. deflection curves during the loading process was analyzed in detail. All the specimens behaved in a very ductile manner. Besides, based on the experimental result, the composite action between the steel tube and core concrete was studies and examined. Furthermore, the feasibility and accuracy of the numerical method was verified by comparing the computed results with experimental observations. The full curves analysis on the moment vs. curvature curves was further conducted, where the development of the stress and strain redistribution in the steel tube and core concrete was clarified comprehensively. It should be noted that there existed bond slip between the core concrete and steel tube during the loading process. And then, an extensive parametric study, including the steel strength, concrete strength, steel ratio and aspect ratio, was performed. Finally, design formula to calculate the ultimate moment and flexural stiffness of CFRTs were presented. The predicted results showed satisfactory agreement with the experimental and FE results. Additionally, the difference between the experimental/FE and predicted results using the related design codes were illustrated.
In this paper, the effect of the natural aging on the strength distribution and structural service life of a Filament Wound (FW) composite pressure vessel was studied. The fiber failure strain, which is varied significantly, was considered as the design random variable and the strength analysis was carried out by probabilistic numerical approach. The progressive failure analysis technique and the First Order Reliability Method (FORM) were embedded in this numerical model. As the calculation results, the probability of failure was obtained for each aging time steps and it is found that the strength degradation in FW composite pressure vessel, due to the natural aging, appears within 10 year-aging-time. As an example of the life prediction under natural aging using arbitrary laminated model, the service lifetime of 13 years was predicted based on the probability of failure of 2.5% and the design pressure of 3,250 psi.
Connections with damage concentrated to pre-selected components can enhance seismic resilience for moment resisting frames. These pre-selected components always yield early to dissipate energy, and their energy dissipation mechanisms vary from one to another, depending on their position in the connection, geometry configuration details, and mechanical characteristics. This paper presents behaviour insights on two types of beam-to-beam connections that the angles were designed as energy dissipation components, through the results of experimental study and finite element analysis. Firstly, an experimental programme was reviewed, and key responses concerning the working mechanism of the connections were presented, including strain distribution at the critical section, section force responses of essential components, and initial stiffness of test specimens. Subsequently, finite element models of three specimens were established to further interpret their behaviour and response that were not observable in the tests. The moment and shear force transfer paths of the composite connections were clarified through the test results and finite element analysis. It was observed that the bending moment is mainly resisted by axial forces from the components, and the dominant axial force is from the bottom angles; the shear force at the critical section is primarily taken by the slab and the components near the top flange. Lastly, based on the insights on the load transfer path of the composite connections, preliminary design recommendations are proposed. In particular, a resistance requirement, quantified by a moment capacity ratio, was placed on the connections. Design models and equations were also developed for predicting the yield moment resistance and the shear resistance of the connections. A flexible beam model was proposed to quantify the shear resistance of essential components.
In the realm of nanotechnology, the nonlocal strain gradient theory takes center stage as it scrutinizes the behavior of spinning cantilever nanobeams and nanotubes, pivotal components supporting various mechanical movements in sport structures. The dynamics of these structures have sparked debates within the scientific community, with some contending that nonlocal cantilever models fail to predict dynamic softening, while others propose that they can indeed exhibit stiffness softening characteristics. To address these disparities, this paper investigates the dynamic response of a nonlocal cantilever cylindrical beam under the influence of external discontinuous dynamic loads. The study employs four distinct models: the Euler-Bernoulli beam model, Timoshenko beam model, higher-order beam model, and a novel higher-order tube model. These models account for the effects of functionally graded materials (FGMs) in the radial tube direction, giving rise to nanotubes with varying properties. The Hamilton principle is employed to formulate the governing differential equations and precise boundary conditions. These equations are subsequently solved using the generalized differential quadrature element technique (GDQEM). This research not only advances our understanding of the dynamic behavior of nanotubes but also reveals the intriguing phenomena of both hardening and softening in the nonlocal parameter within cantilever nanostructures. Moreover, the findings hold promise for practical applications, including drug delivery, where the controlled vibrations of nanotubes can enhance the precision and efficiency of medication transport within the human body. By exploring the multifaceted characteristics of nanotubes, this study not only contributes to the design and manufacturing of rotating nanostructures but also offers insights into their potential role in revolutionizing drug delivery systems.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.3A
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pp.161-169
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2012
This paper presents the safety and strength of simplified composite H-beam panel bridges (SCHPBs) using 3-dimentional finite-element program, ABAQUS (2007) and experimental tests. Two finite-element models (one-steel-girder-and-composite-deck model and four-steel-girder-and-wide-composite-deck model) were reviewed to predict the strength and load distribution factor (LDF) values of the composite bridges. Based on the results of the finite-element analyses, the behaviors of the two models were investigated, and deflection and strain gauges for the experimental specimens were set up to obtain the ultimate strengths and the LDF values. The ultimate strength of the one-steel-girder-and-composite-deck specimen was estimated to be 840 kN. The yield and plastic moments of the four-steel-girder-and-wide-composite-deck specimen were obtained to be 2.4 and 4.1 times the design moment based on the live loading condition of the Korea Bridge Design Specifications (2005). The SCHPB were found to have enough strength for safety under and after construction.
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