A dynamic analytical solution for a simply supported, rectangular functionally graded plate with a porous middle layer under time-dependent load based on a refined third-order shear deformation theory with a cubic variation of in-plane displacements according to the thickness and linear/quadratic transverse displacement is presented. The solution achieved in the trigonometric series form and rests on the Green's function method. Two porosity types and their influence on material properties, and mechanical behavior are considered. The network of pores is assumed to be empty or filled with low-pressure air, and the material properties are calculated using the power-law distribution idealization. Numerical calculations have been carried out to demonstrate the accuracy of the kinematic model for the dynamic problem, the effect of porosity, thickness of porous layers, power-law index, and type of loading on the dynamic response of an imperfect functionally graded material plate.
Abeer Qasim Jbur;Wael Najm Abdullah;Nadhim M. Faleh;Zahraa N. Faleh
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.2
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pp.157-165
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2023
In the present work, the vibration characteristics of sandwich nanocomposite shells, fortified with graphene platelets (GPLs) have been researched. The shell has been considered as the stadium roof shape with double curvatures under vibration due to earthquake. The nanocomposite has the matrix of concrete which is fortified with uniform or linear dispersions of GPLs. Also, the core possesses cellular type square architecture for which the effective elastic modulus has been defined in the context of relative density based relations. Based upon the classic shell strains containing two identical curvatures, the governing equations have been established and solved through differential quadrature approach. It will be seen that the vibrational frequencies rely on the core relative density, height of layers, the amount and dispersions of GPLs and even shell geometric parameters.
Lee, Ju Myeong;Baek, Seung Beom;Lee, Kang Hoon;Kim, Jo Soon;Jeong, Jin Hoon
International Journal of Highway Engineering
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v.19
no.3
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pp.31-43
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2017
PURPOSES : The objective of this study is to verify the effect of fiber grid reinforcement on the long-term performance of asphalt pavement overlaid on old concrete pavement by performing field investigation, laboratory test, and finite element analysis. METHODS : The reflection cracking, roughness, and rutting of fiber grid reinforced overlay sections and ordinary overlay sections were compared. Cores were obtained from both the fiber grid reinforced and ordinary sections to measure bonding shear strength between the asphalt intermediate and asphalt overlay layers. Fracture energy, displacement after yield, shear stiffnesses of the cores were also obtained by analyzing the test results. Finite element analysis was performed using the test results to validate the effect of the fiber grid reinforcement on long-term performance of asphalt pavement overlaid on the old concrete pavement. The fatigue cracking and reflection-cracking were predicted for three cases: 1) fiber grid was not used; 2) glass fiber grid was used; 3) carbon fiber grid was used. RESULTS : The reflection-cracking ratio of fiber grid reinforced sections was much smaller than that of ordinary sections. The fiber grid reinforcement also showed reduction effect on rutting while that on roughness was not clear. The reflection-cracking was not affected by traffic volume but by slab deformation and joint movement caused by temperature variation. The bonding shear strength of the fiber grid reinforced sections was larger than that of the ordinary sections. The fracture energy, displacement after yield, and shear stiffnesses of the cores of the fiber grid reinforced sections were also larger than those of the ordinary sections. Finite element analysis results showed that fatigue cracking of glass or carbon fiber grid reinforced pavement was much smaller than that of ordinary pavement. Carbon fiber grid reinforcement showed larger effect in elongating the fatigue life of the ordinary overlay pavement compared to glass fiber grid reinforcement. The binder type of the overlay layer also affected the fatigue life. The fiber grid reinforcement resisted reflection-cracking and the carbon fiber grid showed the greater effect. CONCLUSIONS :The results of field investigation, laboratory test, and finite element analysis showed that the fiber grid reinforcement had a better effect on improving long-term performance of asphalt pavement overlaid on the old concrete pavement.
Among the forest road pavement methods, the majority of current constructions utilize concrete pavements but it has disadvantages as follows: many cracked concrete pavements generated by the erosion of underlying soil layers, could not be used as forest roads in steep slope during winter, and cement contains hazardous chemicals (hexavalent chromium, etc.). In order to supplement the limitations of the use of concrete pavement, this study was conducted to investigate the operation process and cost, the strength and compaction of the experimental forest road pavement(85 m) utilizing eco-friendly solidification material at Goryeong-gun, Gyeongsangbuk-do. The work elements of experimental forest road paving were classified into: preparation, Roadbed excavation, Roadbed grading, subgrade compaction, form work, collection and selection of site soil, mixing site soil and eco-friendly solidification material, paving by eco-friendly solidification material, compaction by vibrating roller and curing. The result of economic analysis using construction cost shows that for concrete costs total to $38,681won/m^3$ while for the eco-friendly paving material it is $38,245won/m^3$. Thus the construction costs for concrete and the eco-friendly paving material are similar. And the results of the Schmidt Hammer test for strength analysis by curing period are 10.5-13.5 MPa for 7 days, 18.1-22.7 MPa for 14 days, and 20.8-23.0 MPa for 28 days.
Bae, Sung Geun;Choi, Seongcheol;Jang, Seung Yup;Cha, Soo Won
Journal of the Korean Society for Railway
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v.17
no.5
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pp.355-364
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2014
The restrained volume changes of concrete due to variations of temperature and moisture produce transverse cracks in continuously reinforced concrete tracks (CRCTs). Such cracks are known to significantly affect the behaviors and long-term performance of CRCT. To investigate the effects of the transverse cracks on the behavior of CRCT and to develop more reasonable maintenance standards for cracks, in this study, the stress distribution of the track concrete layers (TCL) and the hydraulically stabilized base course (HSB) with transverse cracks were numerically predicted by a three dimensional finite element analysis when CRCT was subjected to train loads. The results indicate that the bending stresses of TCL and vertical stresses at the interfaces between TCL and HSB increased as the cracks were deepened. In addition, vertical stresses were locally concentrated near reinforcing steel in cracks in TCL when full-depth cracks developed, which may lead to punch-outs in CRCTs. Comparably, the effects of crack width and spacing were not as significant as crack depth. This study indicates that ensuring the long-term performance of CRCTs requires adequate maintenance not only for crack width and spacing but also for crack depth. Our results also show that locating HSB joints between sleepers is beneficial to the long-term performance of CRCTs.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.36
no.4
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pp.103-116
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1994
The objective of this study was to determine the criteria for density and moisture content measurements made with a nuclear density meter on common materials in the construction field. The study also sought to test a full-type nuclear density meter in controlling the density of overlay layers( 2.5~5.0cm). In order to determine the accuracy and reliablility of nuclear guage measurements made on construction materials, laboratory and field tests were conducted. Wooden blocks( 65 x 45 ${\times}$ 50 cm) and a special steel compactor( 4.7kg) were constructed in order to carry out tests which were conducted on three different materials; coarse gramed soil, fine grained soil, and AC material. Throughout all laboratory and field tests, the nuclear density and moisture content were determined using Humboldt 5OOLP nuclear gauge. The tests on subgrade material entailed obtaining density measurements by means of both the sand replacement method and the nuclear density meter. The results of the sand replacement method were then compared to the readings recorded bu the meter. As in the subgrade material tests, density measurements made during AC pavement tests were also determined using the unclear meter in addition to a second means; through the core method. The meter readings and core densties were compared as was done in the tests on subgrade materials. The correlation between the results of the sand replacement test( also, the core method) and meter readings on subgrade material was then determined. Sirnilarly, the observed results were then analyzed through linear regression. The tests to determine thin-lift density by means of a full-type nuclear density meter also conducted on the overlay layers( about 4. 8cm thickness) above AC pavements at road construction sities in Korea.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.8
no.3
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pp.273-287
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2006
This study investigates the failure mechanism and load-carrying capacity of a single-shell lining which has no disturbance in transfer of shear force, with respect to a conventional double-shell lining which has separation between layers of shotcrete lining and secondary concrete lining by water-proof membrane. In order to evaluate the capacity, a 2-D numerical investigation is preliminarily carried out and then real-scale loading tests with tunnel lining section specimens are performed on the condition given by the numerical investigation. In the test, a concentrated load is applied for considering a released ground load or rock wedge load. Through this study, it appears that the single-shell lining takes the load-bearing capacity 20% higher than in case of the double-shell lining. In addition, a possibility of a composite single-shell shotcrete layer composed by multiple bonded layers partly involving different contents of high-capacity additives is shown thereby leading to use of less amount of the high-capacity additives on the condition of taking a similar load-bearing capacity.
Kolsek, Jerneja;Hozjan, Tomaz;Kroflic, Ales;Saje, Miran;Planinc, Igor
Steel and Composite Structures
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v.16
no.6
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pp.559-576
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2014
A new mathematical model and its finite element formulation for the non-linear stress-strain analysis of a planar beam strengthened with plates bolted or adhesively bonded to its lateral sides is presented. The connection between the layers is considered to be flexible in both the longitudinal and the transversal direction. The following assumptions are also adopted in the model: for each layer (i.e., the beam and the side plates) the geometrically linear and materially non-linear Bernoulli's beam theory is assumed, all of the layers are made of different homogeneous non-linear materials, the debonding of the beam from the side-plates due to, for example, a local buckling of the side plate, is prevented. The suitability of the theory is verified by the comparison of the present numerical results with experimental and numerical results from literature. The mechanical response arising from the theoretical model and its numerical formulation has been found realistic and the numerical model has been proven to be reliable and computationally effective. Finally, the present formulation is employed in the analysis of the effects of two different realizations of strengthening of a characteristic simply supported flexural beam (plates on the sides of the beam versus the tension-face plates). The analysis reveals that side plates efficiently enhance the bearing capacity of the flexural beam and can, in some cases, outperform the tensile-face plates in a lower loss of ductility, especially, if the connection between the beam and the side plates is sufficiently stiff.
Kim, Seong-Min;Shim, Jae-Soo;Park, Hee-Beom;Yun, Dong-Ju
International Journal of Highway Engineering
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v.11
no.3
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pp.151-161
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2009
This study was conducted to investigate the characteristics of the curling behavior of long-span pavement slabs under environmental loads. By developing and using finite element models of the long-span pavement slabs, the stress distribution and the effects of slab length, slab thickness, stiffness of underlying layers, and the restraints of the slab ends on the curling behavior were analyzed. In addition, the field experiments were performed with the actual long-span pavement slab to obtain the curling behavior of the real structure under environmental loads. As a result of this study, it was found that the vertical displacements of the long-span pavement slab along the centerline due to the curling behavior were zero except for the areas near the slab ends, and the curling stresses were maximum and constant where the displacements were zero. The slab length and the stiffness of underlying layers did not affect the maximum curling stresses. The restraints at the slab ends made the curling stresses occur near the slab ends, but did not much affect the maximum curling stresses.
Rahmani, Mohammad;Kim, Yong-Rak;Park, Yong Boo;Jung, Jong Suk
Land and Housing Review
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v.11
no.2
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pp.95-104
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2020
This study aims to explore a purely mechanistic pavement analysis approach where viscoelasticity and fracture of asphalt mixtures are considered to accurately predict deformation and damage behavior of flexible pavements. To do so, the viscoelastic and fracture properties of designated pavement materials are obtained through experiments and a fully mechanistic damage analysis is carried out using a finite element method (FEM). While modeling crack development can be done in various ways, this study uses the cohesive zone approach, which is a well-known fracture mechanics approach to efficiently model crack initiation and propagation. Different pavement configurations and traffic loads are considered based on three main functional classes of roads suggested by FHWA i.e., arterial, collector and local. For each road type, three different material combinations for asphalt concrete (AC) and base layers are considered to study damage behavior of pavement. A concept of the approach is presented and a case study where three different material combinations for AC and base layers are considered is exemplified to investigate progressive damage behavior of pavements when mixture properties and layer configurations were altered. Overall, it can be concluded that mechanistic pavement modeling attempted in this study could differentiate the performance of pavement sections due to varying design inputs. The promising results, although limited yet to be considered a fully practical method, infer that a few mixture tests can be integrated with the finite element modeling of the mixture tests and subsequent structural modeling of pavements to better design mixtures and pavements in a purely mechanistic manner.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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