Nigdeli, Sinan Melih;Bekdas, Gebrail;Kim, Sanghun;Geem, Zong Woo
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.6
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pp.1097-1109
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2015
A novel optimization approach for reinforced concrete (RC) biaxially loaded columns is proposed. Since there are several design constraints and influences, a new computation methodology using iterative analyses for several stages is proposed. In the proposed methodology random iterations are combined with music inspired metaheuristic algorithm called harmony search by modifying the classical rules of the employed algorithm for the problem. Differently from previous approaches, a detailed and practical optimum reinforcement design is done in addition to optimization of dimensions. The main objective of the optimization is the total material cost and the optimization is important for RC members since steel and concrete are very different materials in cost and properties. The methodology was applied for 12 cases of flexural moment combinations. Also, the optimum results are found by using 3 different axial forces for all cases. According to the results, the proposed method is effective to find a detailed optimum result with different number of bars and various sizes which can be only found by 2000 trial of an engineer. Thus, the cost economy is provided by using optimum bars with different sizes.
Brittle fracture of structures excited by earthquakes can be prevented by adding a tuned mass damper (TMD). This TMD must be optimum and suitable to the physical conditions of the structure. Compressive strength of concrete is an important factor for brittle fracture. The application of a TMD to structures with low compressive strength of concrete may not be possible if the weight of the TMD is too much. A heavy TMD is dangerous for these structures because of insufficient axial force capacity of structure. For the preventing brittle fracture, the damping ratio of the TMD must be sufficient to reduce maximum shear forces below the values proposed in design regulations. Using the formulas for frequency and damping ratio related to a preselected mass, this objective can be only achieved by increasing the mass of the TMD. By using a metaheuristic method, the optimum parameters can be searched in a specific limit. In this study, Harmony Search (HS) is employed to find optimum TMD parameters for preventing brittle fracture by reducing shear force in additional to other time and frequency responses. The proposed method is feasible for the retrofit of weak structures with insufficient compressive strength of concrete.
In this paper, a new semi-analytical solution for estimating the pull-in parameters of electrically actuated functionally graded (FG) nanobeams is proposed. All the bulk and surface material properties of the FG nanoactuator vary continuously in thickness direction according to power law distribution. Here, the modified couple stress theory (MCST) and Gurtin-Murdoch surface elasticity theory (SET) are jointly employed to capture the size effects of the nanoscale beam in the context of Euler-Bernoulli beam theory. According to the MCST and SET and accounting for the mid-plane stretching, axial residual stress, electrostatic actuation, fringing field, and dispersion (Casimir or/and van der Waals) forces, the nonlinear nonclassical equation of motion and boundary conditions are obtained derived using Hamilton principle. The proposed semi-analytical solution is derived by employing Galerkin method in conjunction with the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The proposed solution approach is validated with the available literature. The freestanding behavior of nanoactuators is also investigated. A parametric study is conducted to illustrate the effects of different material and geometrical parameters on the pull-in response of cantilever and doubly-clamped FG nanoactuators. This model and proposed solution are helpful especially in mechanical design of micro/nanoactuators made of FGMs.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.6-15
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2008
This paper deals with the aeroelastic instability of vibrating multiple blade rows under aerodynamic coupling with each other. A model composed of three blade rows, e.g., rotor-stator-rotor, where blades of the two rotor cascades are simultaneously vibrating, is considered. The displacement of a blade vibrating under aerodynamic force is expanded in a modal series with the natural mode shape functions, and the modal amplitudes are treated as the generalized coordinates. The generalized mass matrix and the generalized stiffness matrix are formulated on the basis of the finite element concept. The generalized aerodynamic force on a vibrating blade consists of the component induced by the motion of the blade itself and those induced not only by vibrations of other blades of the same cascade but also vibrations of blades in another cascade. To evaluate the aerodynamic forces, the unsteady lifting surface theory for the model of three blade rows is applied. The so-called k method is applied to determine the critical flutter conditions. A numerical study has been conducted. The flutter boundaries are compared with those for a single blade row. It is shown that the effect of the aerodynamic blade row coupling substantially modifies the critical flutter conditions.
Rockburst disasters pose serious threat to mining safety and underground excavation, especially in China, resulting in massive life-wealth loss and even compulsive closed-down of some coal mines. To investigate the mechanism of rockbursts that occur under a state of static forces, a stress model with sidewall as prototype was developed and verified by a group of laboratory experiments and numerical simulations. In this model, roadway sidewall was simplified as a square plate with axial compression and end (horizontal) restraints. The stress field was solved via the Airy stress function. To track the "closeness degree" of the stress state approaching the yield limit, an unbalanced force F was defined based on the Mohr-Coulomb yield criterion. The distribution of the unbalanced force in the plane model indicated that only the friction angle above a critical value could cause the first failure on the coal in the deeper of the sidewall, inducing the occurrence of rockbursts. The laboratory tests reproduced the rockburst process, which was similar to the prediction from the theoretical model, numerical simulation and some disaster scenes.
Great efforts have been conducted to investigate the seismic performances of the arch and rectangular underground structures, however, the differences between seismic responses of these two types of underground structures, especially the vault radian influencing the seismic responses of arch structures are not clarified. This paper presents a detailed numerical investigation on the seismic responses of arch underground structures with different vault radians, and aims to illustrate the rule that vault radian affects the seismic responses of underground structures. Five arch underground structures are built for nonlinear soil-structure interaction analysis. The internal forces of the structural components of the underground structures only under gravity are discussed detailedly, and an optimum vault radian for perfect load-carrying functionality of arch underground structures is suggested. Then the structures are analyzed under seven scaled ground motions, amounting to a total of 35 dynamic calculations. The numerical results show that the vault radian can have beneficial effects on the seismic response of the arch structure, compared to the rectangular underground structures, causing the central columns to suffer smaller axial force and horizontal deformation. The conclusions provide some directive suggestions for the seismic design of the arch underground structures.
Reinforced concrete (RC) beams can be subjected to a complex combination of shear forces (V), torsional moments (T), flexural moments (M) and axial loads (N). This paper proposes a unified approach for the analysis of these elements. An existing model for the analysis of orthogonally reinforced concrete membrane elements subjected to in-plane shear and normal stresses is generalized to apply to the case of beams subjected to the complex loading. The combination of V and T can be critical. Torsion is modelled using the hollow-tube analogy. A direct equation for the calculation of the thickness of the equivalent hollow tube is proposed, and the shear stresses caused by V and T are combined using a simple approach. The development and the evaluation of the model are described. The calculations of the model are compared to experimental data from 350 beams subjected to various combinations of stress-resultants and to the calculations of the ACI and the CSA codes. The proposed model provides the most favorable results. It is also shown that it can accurately model the interaction between V and T. The proposed model provides a unified treatment of shear in beams subjected to complex stress-resultants and in thin membrane elements subjected to in-plane stresses.
This research presents the monitoring results and their interpretation on load sharing of the pile foundation during the construction of a high-rise (124 m in height) building in Bangkok, in soft clayey ground. Axial forces in several piles, pore water pressure and earth pressures beneath the raft in a tributary area were monitored through the construction period of the building. The raft of the pile foundation in soft clayey ground can share the load up to 10-20% even though the foundation was designed using the conventional approach in which the raft resistance is ignored. The benefit from the return of ground water table as the uplift pressure is recognized. A series of parametric study by 3D-FEA were carried out. The potential of utilizing the piled raft system for the high-rise building with underground basement in soft clayey ground was preliminarily confirmed.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.21
no.6
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pp.81-88
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2022
Titanium alloy (Ti-6Al-4V) has excellent mechanical properties and high specific strength; therefore, it is widely used in aerospace, automobile, defense, engine parts, and bio fields. Particularly in the aerospace field, as it has a low specific gravity and rigidity, it is used for the purpose of increasing energy efficiency through weight reduction of parts, and most have a thin-walled structure. However, it is extremely difficult to machine thin-walled shapes owing to vibration and deformation. In the case of thin-walled structures, the cutting forces and vibrations rapidly increase depending on the cutting conditions, significantly affecting the surface integrity and tool life. In this study, machining experiments on thin-wall milling of a titanium alloy (Ti-6Al-4V) were conducted for each experimental condition with different axial depths of cut, radial depth of cut, and machining sequence. The machining characteristics were analyzed, and an effective machining method was derived by a comprehensive analysis of the machined surface conditions and cutting signals.
This paper presents a simplified model to capture the nonlinear behavior of steel frames depending on the spread of plasticity method. New interaction formulae were derived to evaluate the plastic strength for I-shaped steel sections under uniaxial bending moment and axial compression load. Also, new empirical formulae were derived to evaluate the tangent stiffness modulus of steel I-shaped cross-sections considering the effect of the residual stresses suggested by the specifications in European Convention for Construction Steelworks (ECCS). The secant stiffness which depends on the tangent modulus is used to evaluate the internal forces. Based on stiffness matrix method, a finite element analysis program was developed for the nonlinear analysis of space steel frames using the derived formulae. Comparison between the proposed model results with those given by the fiber model shows very good agreement. Numerical examples were introduced to verify, check the accuracy, and evaluate the efficiency of the proposed model. The analysis results show that the new proposed model is accurate and able to minimize the solution time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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