Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.45
no.2
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pp.78-85
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2003
This study aims to investigate the effect of partially distributed loads on the static behavior of parabolic arches by using the elastic-plastic finite element model. For this purpose, the vertical, the radial, and the anti-symmetric load cases are considered, and the ratio of loading range and arch span is increased from 20% to 100%. Also, the elastic-visco-plastic analysis has been carried out to estimate the elapse time to reach the stable state of arches when the ultimate load obtained by the finite element analysis is applied. It is noted that the ultimate load carrying capacities of parabolic arches are 6.929 tf/$m^2$ for the radial load case, and 8.057 tf/$m^2$ for the vertical load case. On the other hand, the ultimate load is drastically reduced as 2.659 tf/$m^2$ for the anti-symmetric load case. It is also shown that the maximum ultimate load occurs at the full ranging distributed load, however, the minimum ultimate loads of the radial and vortical load cases are obtained by 2.336 tf/$m^2$, 2.256 tf/$m^2$, respectively, when the partially distributed load is applied at the 40% range of full arch span.
Two cases of design are performed for the hyperbolic paraboloid saddle shell (Lin-Scordelis saddle shell) and the hyperbolic cooling tower (Grand Gulf cooling tower) to check the design strength against a consistent design load, therefore to verify the adequacy of the design algorithm. An iterative numerical computational algorithm is developed for combined membrane and flexural forces, which is based on equilibrium consideration for the limit state of reinforcement and cracked concrete. The design algorithm is implemented in a finite element analysis computer program developed by Mahmoud and Gupta. The amount of reinforcement is then determined at the center of each element by an elastic finite element analysis with the design ultimate load. Based on ultimate nonlinear analyses performed with designed saddle shell, the analytically calculated ultimate load exceeded the design ultimate load from 7% to 34% for analyses with various magnitude of tension stiffening. For the cooling tower problem the calculated ultimate load exceeded the design ultimate load from 26% to 63% with similar types of analyses. Since the effective tension stiffening would vary over the life of the shells due to environmental factors, a degree of uncertainty seems inevitable in calculating the actual failure load by means of numerical analysis. Even though the ultimate loads are strongly dependent on the tensile properties of concrete, the calculated ultimate loads are higher than the design ultimate loads for both design cases. For the cases designed, the design algorithm gives a lower bound on the design ultimate load with respect to the lower bound theorem. This shows the adequacy of the design algorithm developed, at least for the shells studied. The presented design algorithm for the combined membrane and flexural forces can be evolved as a general design method for reinforced concrete plates and shells through further studies involving the performance of multiple designs and the analyses of differing shell configurations.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.44
no.3
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pp.92-100
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2002
The advent or high-strength steel has enabled the arch structures to be relatively light, durable and long-spanned by reducing the cross sectional area. On the other hand, the possibility of collapse may be increased due to the slender members which may cause the stability problems. The limit analysis to estimate the ultimate load is based on the concept of collapse mechanism that forms the plastic zone through the full transverse sections. So, it is not appropriate to apply it directly to the instability analysis of arch structures that are composed with compressive members. The objective of this study is to evaluate the ultimate load carrying capacity of the parabolic arch by using the elasto-plastic finite element model. As the rise to span ratio (h/L) varies from 0.0 to 0.5 with the increment of 0.05, the ultimate load has been calculated fur arch structures subjected to uniformly distributed vertical loads. Also, the disco-elasto-plastic analysis has been carried out to find the duration time until the behavior of arch begins to show the stable state when the estimated ultimate load is applied. It may be noted that the maximum ultimate lead of the parabolic arch occurs at h/L=0.2, and the appropriate ratio can be recommended between 0.2 and 0.3. Moreover, it is shown that the circular arch may be more suitable when the h/L ratio is less than 0.2, however, the parabolic arch can be suggested when the h/L ratio is greater than 0.3. The ultimate load carrying capacity of parabolic arch can be estimated by the well-known formula of kEI/L$^3$where the values of k have been reported in this study. In addition, there is no general tendency to obtain the duration time of arch structures subjected to the ultimate load in order to reach the steady state. Merely, it is observed that the duration time is the shortest when the h/L ratio is 0.1, and the longest when the h/L ratio is 0.2.
A central pullout test was conducted to investigate the bonding properties between high strength rebar and reactive powder concrete (RPC), which covered ultimate pullout load, ultimate bonding stress, free end initial slip, free end slip at peak load, and load-slip curve characteristics. The effects of varying rebar buried length, thickness of protective layer and diameter of rebars on the bonding properties were studied, and how to determine the minimum thickness of protective layer and critical anchorage length was suggested according the test results. The results prove that: 1) Ultimate pull out load and free end initial slip load increases with increase in buried length, while ultimate bonding stress and slip corresponding to the peak load reduces. When buried length is increased from 3d to 4d(d is the diameter of rebar), after peak load, the load-slip curve descending segment declines faster, but later the load rises again exceeding the first peak load. When buried length reaches 5d, rebar pull fracture occurs. 2) As thickness of protective layer increases, the ultimate pull out load, ultimate bond stress, free end initial slip load and the slip corresponding to the peak load increase, and the descending section of the curve becomes gentle. The recommended minimum thickness of protective layer for plate type members should be the greater value between d and 10 mm, and for beams or columns the greater value between d and 15 mm. 3) Increasing the diameter of HRB500 rebars leads to a gentle slope in the descending segment of the pullout curve. 4) The bonding properties between high strength steel HRB500 and RPC is very good. The suggested buried length for test determining bonding strength between high strength rebars and RPC is 4d and a formula to calculate the critical anchorage length is established. The relationships between ultimate bonding stress and thickness of protective layer or the buried length was obtained.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.20
no.4
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pp.1-8
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1983
This paper describes the application of the finite element method to the large deflection elastic plastic analysis and ultimate load calculation of axisymmetric shell of revolution with initial imperfection subjected to external pressure. The nonlinear equilibrium equations are linearized by the successive incremental method and are solved by the combination of load increment and iteration scheme with considering plastic deformation theory. To get the more realistic effect of large deflection, corrected coordinats and directions of applied load ar every load increment steps are used. The effects of the plasticity, initial imperfection and the shape of shells on the ultimate load of clamped circular cap under external pressure are investigated. Consequently, the following conclusions are obtained; (1) At same geometric parameter $\lambda$, each shape of clamped circular caps yield same elastic ultimate loads in both cases, i.e. with and without initial imperfections, whereas, in the case of elastic-plastic state the shell becomes thicker, the ultimate loads are getting smaller. (2) The effects of initial imperfection to ultimate load are most significant in the elastic case and are more senstive in the elastic-plastic state with the thinner shells.
This study estimated ultimate load by the determination methods based on ultimate load, yield load and settlement using experimental data from static load tests that applied load to driven piles used in sandy grounds at home and overseas until failure appeared markedly. Estimated ultimate load was normalized with actually measured failure load, and was compared among the determination methods according to the characteristics of pile. In addition, I have identified to the determination methods suitable for estimating ultimate load, and reevaluated the safety factor when determining allowable load. From the results of this study were drawn conclusions as follows. Among ultimate loads estimated by the ultimate-load-based determination methods, the value interpreted by Chin's method tended to overestimate actual measurements, and B. Hansen 80% standard and the stability plot method were considered most reliable as their results were closest to actual measurements. According to the results of this study, in calculating the allowable load, if the safety factor to be applied to failing load obtained by the method of determining extreme load is converted to the safety factor applied to the Standards for Structure Foundation Design, a value larger than 3.0 should be applied except the B. Hansen 90% method, and a value larger than 2.0 should be applied in the methods of determining yield load. In addition, if the safety factor to be applied to load obtained by the settlement standard is converted based on safety factor 3.0 for extreme load, a value smaller than 3.0 should be applied to the total settlement standard and the net settlement standard.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.3
no.1
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pp.47-56
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2009
The first diagonal cracking and ultimate shear load of reinforced girder made of ultra high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) were investigated in this paper. Eleven girders were tested in which eight girders failed in shear. A simplified formulation for the first diagonal cracking load was proposed. An analytical model to predict the ultimate shear load was formulated based on the two bounds theory. A fiber reinforcing parameter was constituted based on the random assumption of steel fiber uniform distribution. The predicted values were compared with the conventional predictions and the test results. The proposed equation can be used for the first cracking status analysis, while the proposed equations for computing the ultimate shear strength can be used for the ultimate failure status analysis, which can also be utilized for numerical limit analysis of reinforced UHPFRC girder. The established fiber reinforcing theoretical model can also be a reference for micro-mechanics analysis of UHPFRC.
Most of the pile's vertical static load tests in construction sites are the proof load tests, which is difficult to accurately estimate the ultimate bearing capacity and analyze the reliability of piles. Therefore, a reliability analysis method based on the proof load-settlement (Q-s) data is proposed in this study. In this proposed method, a simple ultimate limit state function based on the hyperbolic model is established, where the random variables of reliability analysis include the model factor of the ultimate bearing capacity and the fitting parameters of the hyperbolic model. The model factor M = RuR / RuP is calculated based on the available destructive Q-s data, where the real value of the ultimate bearing capacity (RuR) is obtained by the complete destructive Q-s data; the predicted value of the ultimate bearing capacity (RuP) is obtained by the proof Q-s data, a part of the available destructive Q-s data, that before the predetermined load determined by the pile test report. The results demonstrate that the proposed method can easy and effectively perform the reliability analysis based on the proof Q-s data.
This research investigate the behavior of reinforced normal and lightweight aggregate concrete hollow core slabs with different core shapes, shear span to effective depth (a/d). The experimental work includes testing seven reinforced concrete slabs under two vertical line loads. The dimensions of slab specimens were (1.1 m) length, (0.6 m) width and (0.12 m) thickness. The maximum reduction in weight due to aggregate type was (19.28%) and due to cross section (square and circular) cores was (17.37 and 13.64%) respectively. The test results showed that the decrease of shear span to effective depth ratio from 2.9 to 1.9 for lightweight aggregate solid slab cause an increase in ultimate load by (29.06%) and increase in the deflection value at ultimate load or the ultimate deflection by (17.79%). The use of lightweight aggregate concrete in casting solid slabs give a reduction in weight by (19.28%) and in the first cracking and ultimate loads by (16.37%) and (5%) respectively for constant (a/d=2.9).The use of lightweight aggregate concrete in casting hollow circular core slabs with constant (a/d=2.9) (reduction in weight 32.92%) decrease the cracking and ultimate loads by (12%) and (5.18%) respectively with respect to the solid slab. These slab specimens were analyzed numerically by using the finite element computer program ANSYS. Good agreements in terms of behavior, cracking load (load at first visible crack) and ultimate load (maximum value of testing load) was obtained between finite element analysis and experimental test results.
Although a lot of experimental and analytical investigations have been carried out for steel bridge piers made of SS400 and SM490, the formulas available for SS400 and SM490 are not suitable for evaluating ultimate load and deformation capacities of steel bridge piers made of high strength steel (HSS) SM570. The effect of various parameters is investigated in this paper, including plate width-to-thickness ratio, column slenderness ratio and axial compression force ratio, on the ultimate load and deformation capacities of steel bridge box piers made of SM570 steel subjected to cyclic loading. The elasto-plastic behavior of the steel bridge piers under cyclic loads is simulated through plastic large deformation finite element analysis, in which a modified two-surface model (M2SM) including cyclic hardening is employed to trace the material nonlinearity. An extensive parametric study is conducted to study the influences of structural parameters on the ultimate load and deformation capacities. Based on these analytical investigations, new formulas for predicting ultimate load and deformation capacities of steel bridge piers made of SM570 are proposed. This study extends the ultimate load and deformation capacities evaluation of steel bridge piers from SS400, SM490 steels to SM570 steel, and provides some useful suggestions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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