Nowadays, one of the practical, fast and easy ways to strengthen steel elements is the use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). Most previous research in the CFRP strengthening of steel members has carried out on straight steel members. The main difference between horizontal curved beams and straight beams under vertical load is the presence of torsional moment in the horizontal curved beams. In the other words, the horizontal curved beams are analyzed and designed for simultaneous internal forces included bending moment, torsional moment, and shear force. The horizontal curved steel beams are usually used in buildings, bridges, trusses, and others. This study explored the effect of the CFRP strengthening on the behavior of the horizontal curved square hollow section (SHS) steel beams. Four specimens were analyzed, one non-strengthened curved steel beam as a control column and three horizontal curved steel beams strengthened using CFRP sheets (under concentrated load and uniform distributed load). To analyze the horizontal curved steel beams, three dimensional (3D) modeling and nonlinear static analysis methods using ANSYS software were applied. The results indicated that application of CFRP sheets in some specific locations of the horizontal curved steel beams could increase the ultimate capacity of these beams, significantly. Also, the results indicated when the horizontal curved steel beams were under distributed load, the increase rate in the ultimate capacity was more than in the case when these beams were under concentrated load.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.450-465
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2021
In this study, an attempt has been made to investigate the water-entry characteristics of the high-speed parallel projectile numerically. The shear stress transport k-𝜔 turbulence model and the Zwart-Gerber-Belamri cavitation model based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes method were used. The grid independent inspection and grid convergence index is carried out and verified. The influences of the parallel water-entry on flow filed characteristics, trajectory stability and drag reduction performance for different values of initial water-entry speed (𝜈0 = 280 m/s, 340 m/s, 400 m/s) and clearance between the parallel projectiles (Lp = 0.5D, 1.0D, 2.0D, 3.0D) are presented and analyzed in detail. Under the condition of the parallel water-entry, it can be found that due to the intense interference between the parallel projectiles, the distribution of cavity is non-uniform and part of the projectile is exposed to water, resulting in the destruction of the cavity structure and the decline of trajectory stability. In addition, the parallel projectile suffers more severe lateral force that separates the two projectiles. The drag reduction performance is impacted and the velocity attenuation is accelerated as the clearance between the parallel projectiles reduces.
In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
In this paper, a nonlinear numerical method to solve the large deflection problem is introduced. And the non-dimensional load-deflection behavior of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) plates is parametrically investigated. The large deflection problem is formulated according to the von Kármán nonlinear theory and the (1,1,0)* hierarchical model, and it is approximated by 2-D natural element method (NEM). The shear locking phenomenon is suppressed by the selectively reduced integration method. The nonlinear matrix equations are solved by combining the incremental loading scheme and the Newton-Raphson iteration method. The proposed method is validated from the benchmark experiments, where the propose method shows an excellent agreement with the reference methods. The nonlinear behavior of FG-CNTRC plates is evaluated in terms of the non-dimensional load-deflection curve, and it is parametrically investigated with respect to the existence/non-existence and gradient pattern of CNTs, the width-to-thickness and aspect ratios of plates and the type of boundary conditions. The non-dimensional central deflection is significantly reduced when CNTs and added, and it decreases with the volume fraction of CNTs. But, it shows a uniform increase in proportion to the width-to-thickness and aspect ratios. Both the gradient pattern of CNTs and the type of boundary conditions do also show the remarkable effects.
R. Bina;M. Soltani Tehrani;A. Ahmadi;A. Ghanim Taki;R. Akbarian
Steel and Composite Structures
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v.52
no.4
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pp.487-499
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2024
The primary objective of this study is to analyze the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a defective core and wavy carbon nanotube (CNT)-enhanced face sheets, utilizing the three-dimensional theory of elasticity. The intricate equations of motion for the structure are solved semi-analytically using the generalized differential quadrature method. The shell structure consists of a damaged isotropic core and two external face sheets. The distributions of CNTs are either functionally graded (FG) or uniform across the thickness, with their mechanical properties determined through an extended rule of mixture. In this research, the conventional theory regarding the mechanical effectiveness of a matrix embedding finite-length fibers has been enhanced by introducing tube-to-tube random contact. This enhancement explicitly addresses the progressive reduction in the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The study investigates the influence of a damaged matrix, CNT distribution, volume fraction, aspect ratio, and waviness on the free vibration characteristics of the sandwich cylindrical shell with wavy CNT-reinforced face sheets. Unlike two-dimensional theories such as classical and the first shear deformation plate theories, this inquiry is grounded in the three-dimensional theory of elasticity, which comprehensively accounts for transverse normal deformations.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1B
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pp.125-135
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2008
The purpose of this study is to quantify the erosion parameters of cohesive sediments in Keum Estuary. This study also involves the examinations on the local/seasonal variation of them in Keum Estuary and on their spatial variation comparing with those of other sites. As erosional properties of cohesive sediments are in general influenced largely by the physico-chemical properties of cohesive sediments themselves, this study also involves the qualitative analyses on the impact by the physico-chemical properties. Erosion tests have been performed under the uniform bed condition using the Chonbuk annular flume and total 16 tests have been carried out with various bed densities and bottom shear stresses. Experimental results show that the critical shear stress for erosion varies in the range of $0.19{\sim}0.41N/m^2$ and the coefficient of erosion rate varies in the range of $54.26{\sim}7.70mg/cm^2{\cdot}hr$, over the corresponding bulk-density range of $1.14{\sim}1.38g/cm^3$. While erosion parameters estimated for Keum estuary sediments are found to be remarkably different in quantity compared with those for cohesive sediments from other sites, their local/seasonal variabilities within Keum Estuary are found to be insignificant.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.6
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pp.597-604
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2015
When a tunnel is constructed by drilling and blasting operation, the excavated perimeter becomes uneven due to overbreak at the drill holes so that the thickness of shotcrete tends to be irregular. In this case, the conventional stress analyses for tunnel lining of a uniform thickness cannot be readily applicable. In this study, the profile of tunnel perimeter assumed to be sinusoidal in order to simulate the uneven tunnel perimeter and to control the thickness of shotcrete by using the amplitude and wavelength. By adopting the sinusoidal function to a theoretical solution of stress analysis for uniform lining, the range of axial stress of irregular shotcrete can be estimated. The applicability of the approximate solution has been verified by performing a series of numerical analyses for various conditions. It is shown that the axial stress of shorcrete is highly dependent upon the irregularity of shotcrete, together with the ground property and initial stress conditions. It is also shown the shear stress is dependent upon the wavelength, and the stress condition becomes unfavorable where the thickness of shotcrete is relatively small. The approach developed in this study shows that the stress state where the thickness is relatively small is unfavourable, and it is necessary to take complementary measures when installing shotcrete after blasting.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.4
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pp.327-344
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2024
In general tunnel design and analysis, rock masses are often assumed to be isotropic. Under isotropic conditions, material properties are uniform in all directions, leading to a higher evaluation of tunnel stability. However, actual rock masses exhibit anisotropic characteristics due to discontinuities such as joints, bedding planes, and faults, which cause material properties to vary with direction. This anisotropy significantly affects the stress distribution during tunnel excavation, leading to non-uniform deformation and increased risk of damage. Therefore, thorough pre-analysis is essential. This study analyzes the displacement and stress changes occurring during tunnel excavation based on rock anisotropy. A three-dimensional numerical analysis was performed, selecting anisotropy index and dip angles as variables. The results showed that as the anisotropy index increased, the displacement in the tunnel increased, and stress concentration became more pronounced. The maximum displacement and shear stress were observed where the dip planes met the tunnel.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.18
no.4
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pp.283-293
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2006
The purpose of this study is to quantitatively estimate the erosional properties for cohesive sediments on Keum Estuary. Then the spatial variation was evaluated, through analyzing and comparing the seasonal variation of the erosional properties in Keum Estuary with that of the erosional properties in the other sites. As erosional properties of cohesive sediments are also influenced largely by basic physico-chemical property of cohesive sediments themselves, the impact that the basic physico-chemical property has on the erosional properties is analyzed in this study. Erosional tests are performed under the condition of uniform beds. Total 8 times of tests using an annular flume are also conducted in a location, low times respectively by seasons: the fall, winter. Experimental results of erosional tests show that the critical shear stress for erosion varies in the range of $0.12{\sim}0.36N/m^2$ and the coefficient of erosion rate varies in the range of $120.91{\sim}6.72mg/cm^2{\cdot}hr$, over the corresponding bulk-density range $1.15{\sim}1.34g/cm^3$. Although the calculated parameters of erosional properties are remarkably different in quantity compared with those of other cohesive sediments(lake Okeechobee) and Kaolinite, their seasonal variabilities within Keum Estuary appear to be insignificant.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.2
s.48
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pp.39-50
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2006
Site response analyses were peformed based on equivalent linear technique using the shear wave velocity profiles of 162 sites collected around the Korean Peninsula. The she characteristics, particularly the shear wave velocities and the depth to bedrock, are compared to those in the western United States. The site coefficients of short period $(F_a)$ and the long period $(F_v)$ obtained from this study were significantly different compared to 1997 Uniform Building Code (1997 UBC). $F_a$ underestimated the motion in shot period ranges and $F_v$ overestimated the motion in mid period ranges in Korean seismic guideline. It is found that the existing Korean seismic design code were is required to be modified considering geological site conditions in Korea for the reliable estimation of sue amplification. Problems of the current seismic design code were dicussed in this paper and the development of site classification method and modification of desing response spectra were discussed in the companion papers(II-Development of Site Classification System and III-Modification of Dosing Response Specra).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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