This paper presents a new nonlocal Hyperbolic Shear Deformation Beam Theory (HSDBT) for the free vibration of porous Functionally Graded (FG) nanobeams. A new displacement field containing integrals is proposed which involves only three variables. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect and its account for shear deformation by a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using the shear correction factor. It has been observed that during the manufacture of Functionally Graded Materials (FGMs), micro-voids and porosities can occur inside the material. Thus, in this work, the investigation of the free vibration analysis of FG beams taking into account the influence of these imperfections is established. Four different porosity types are considered for FG nanobeam. Material characteristics of the FG beam are supposed to vary continuously within thickness direction according to a power-law scheme which is modified to approximate material characteristics for considering the influence of porosities. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanobeam are derived using Hamilton's principle. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio, and the porosity types on the dynamic responses of the nanobeam are discussed.
This study is to evaluate the seismic capacity of the fire-damaged cabinet facility in a nuclear power plant (NPP). A prototype of an electrical cabinet is modeled using OpenSees for the numerical simulation. To capture the nonlinear behavior of the cabinet, the constitutive law of the material model under the fire environment is considered. The experimental record from the impact hammer test is extracted trough the frequency-domain decomposition (FDD) method, which is used to verify the effectiveness of the numerical model through modal assurance criteria (MAC). Assuming different temperatures, the nonlinear time history analysis is conducted using a set of fifty earthquakes and the seismic outputs are investigated by the fragility analysis. To get a threshold of intensity measure, the Monte Carlo Simulation (MCS) is adopted for uncertainty reduction purposes. Finally, a capacity estimation model has been proposed through the investigation, which will be helpful for the engineer or NPP operator to evaluate the fire-damaged cabinet strength under seismic excitation. This capacity model is presented in terms of the High Confidence of Low Probability of Failure (HCLPF) point. The results are validated by the proper judgment and can be used to analyze the influences of fire on the electrical cabinet.
Accurately estimation of the geo-mechanical parameters in Artificial Ground Freezing (AGF) is a most important scientific topic in soil improvement and geotechnical engineering. In order for this, one way is using classical and conventional constitutive models based on different theories like critical state theory, Hooke's law, and so on, which are time-consuming, costly, and troublous. The others are the application of artificial intelligence (AI) techniques to predict considered parameters and behaviors accurately. This study presents a comprehensive data-mining-based model for predicting the Young's Modulus of frozen sand under the triaxial test. For this aim, several single and hybrid models were considered including additive regression, bagging, M5-Rules, M5P, random forests (RF), support vector regression (SVR), locally weighted linear (LWL), gaussian process regression (GPR), and multi-layered perceptron neural network (MLP). In the present study, cell pressure, strain rate, temperature, time, and strain were considered as the input variables, where the Young's Modulus was recognized as target. The results showed that all selected single and hybrid predicting models have acceptable agreement with measured experimental results. Especially, hybrid Additive Regression-Gaussian Process Regression and Bagging-Gaussian Process Regression have the best accuracy based on Model performance assessment criteria.
Anchor channels are commonly used for façade, tunnel, and structural connections. These connections encounter various types of loadings during their service life, including high rate or impact loading. For anchor channels that are placed close and parallel to an edge and loaded in shear perpendicular to and towards the edge, the failure is often governed by concrete edge breakout. This study investigates the transverse shear behavior of the anchor channels under quasi-static and high rate loadings using a numerical approach (3D finite element analysis) utilizing a rate-sensitive microplane model for concrete as constitutive law. Following the validation of the numerical model against a test performed under quasi-static loading, the rate-sensitive static, and rate-sensitive dynamic analyses are performed for various displacement loading rates varying from moderately high to impact. The increment in resistance due to the high loading rate is evaluated using the dynamic increase factor (DIF). Furthermore, it is shown that the failure mode of the anchor channel changes from global concrete edge failure to local concrete crushing due to the activation of structural inertia at high displacement loading rates. The research outcomes could be valuable for application in various types of connection systems where a high rate of loading is expected.
This article investigates the free vibration behavior of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) beams embedded using variational analytical methods and artificial neural networks (ANN). The material properties of layered functionally graded CNTRC (FG-CNTRC) beams are estimated using nonlocal parameters modified power-law with different types of CNT distributions through the thickness direction of the beam. Adopting Eringen's nonlocal elasticity theory to capture the small size effects, the nonlocal governing equations are derived and solved using the analytical method. And also, the problem was analyzed using the ANN method. The architecture of the proposed ANN model is 3-9-1. In the experiments, we used 112 different data to predict the natural frequency using ANN. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion as well as the boundary conditions of the beam are derived using Hamilton's principle. The classical beam theory is used to formulate a governing equation for predicting the free vibration of laminated CNTRC beams. According to the experimental results, the prediction ability of the ANN model is very good and the natural frequency can be predicted in ANN without attempting any experiments.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.6
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pp.1417-1431
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1994
In this study, shear strength characteristics of the Nak-Dong river sand in Taegu area are investigated by triaxial compression test, considering shear strain control velocity, relative density, and confining pressure. The results from Lade model and Modified Lade model are compared with the measured value in the laboratory test. The results by the change of shear strain control velocity, relative density, and confining pressure are as follows; 1) The stress limit, which can be Coulomb's law about the Nak-Dong river sand, have ranged 120~200 kpa at 0.08%/min and 120~150 kpa at 0.5%/min. These limits are smaller than that of the calcareous sand and the well-graded, quartz sand. 2) The parameters needed to Lade model and Modified Lade model are much affected by the strain control velocity and the relative density. Consequently, in the field, it is important to use parameters aptly after accurately understanding both the loading condition and subsoil condition. 3) Overall, the principal stress ratio obtained from constitutive model equations is not affected by the control velocity, but both the relative density and confining pressure affect the result of constitutive model equations. Consequently, the study on the various conditions about the relative density and confining pressure is needed to accurately predict the stress-strain behavior on the Nak-Dong river sand. 4) For the range of the used confining pressure in the study, the Lade model shows better agreements with the measured value than the Modified Lade model, comparing the measured value with the principal stress ratio at failure and the internal friction angle of failure envelope obtained from the Lade model and Modified Lade model.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.21
no.3
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pp.130-137
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2017
The purpose of this study is to provide a reasonable analytical method for the reinforced concrete beams which shows failure mode of shear and flexure-shear by proposing a modified formulation to consider the effect of shear deformation on the beam-column fiber element based on the flexibility method and a new constitutive law of inelastic shear response history for the section. A total of 6 specimens of reinforced concrete beams which is designed to cause shear failure before yielding longitudinal reinforcement to investigate the influence of the main experimental variables on the shear behavior characteristics and the analysis was performed by using a non-linear finite element analysis program (RCAHEST) applying the newly modified constitutive equation by the authors. The failure mode and the overall behavior characteristics until fracture are predicted appropriately for all specimens and the results are expected to be useful enough for the 3 - D analysis to carry out reliable results of large-scale and complicated structures in the future.
The anisotropic behavior of rocks is primarily attributed to the directional arrangement of rock-forming minerals and the distribution characteristics of microcracks. Notably, sedimentary and metamorphic rocks often exhibit distinct transverse isotropy in terms of their strength and deformation characteristics. Consequently, it is crucial to gain accurate insights into the deformation and failure characteristics of transversely isotropic rocks during rock mechanics design processes. The deformation of such rocks is described by five independent elastic constants, which are determined through laboratory testing. In this study, the characteristics of the directional variation of apparent elastic constants in transversely isotropic rocks were investigated using experimental data reported in the literature. To achieve this, the constitutive equation proposed by Mehrabadi & Cowin was introduced to calculate the apparent elastic constants more efficiently and systematically in a rotated Cartesian coordinate system. Four transversely isotropic rock types from the literature were selected, and the influence of changes in the orientation of the weak plane on the variations of the apparent elastic modulus, apparent shear modulus, and apparent Poisson's ratio was analyzed. Based on the investigation, a new constraint on the elastic constants has been proposed. If the proposed constraint is satisfied, the directional variation of the apparent elastic constants in transversely isotropic rocks aligns with intuitive predictions of their tendencies.
In this work, two dimensional (2D) and quasi three-dimensional (quasi-3D) HSDTs are proposed for bending and free vibration investigation of functionally graded (FG) plates using hyperbolic shape function. Unlike the existing HSDT, the proposed theories have a novel displacement field which include undetermined integral terms and contains fewer unknowns. The material properties of the plate is inhomogeneous and are considered to vary continuously in the thickness direction by three different distributions; power-law, exponential and Mori-Tanaka model, in terms of the volume fractions of the constituents. The governing equations which consider the effects of both transverse shear and thickness stretching are determined through the Hamilton's principle. The closed form solutions are deduced by employing Navier method and then fundamental frequencies are obtained by solving the results of eigenvalue problems. In-plane stress components have been determined by the constitutive equations of composite plates. The transverse stress components have been determined by integrating the 3D stress equilibrium equations in the thickness direction of the FG plate. The accuracy of the present formulation is demonstrated by comparisons with the different 2D, 3D and quasi-3D solutions available in the literature.
Bouafia, Khadra;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benzair, Abdelnour;Tounsi, Abdelouahed
Smart Structures and Systems
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v.19
no.2
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pp.115-126
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2017
In this paper, size dependent bending and free flexural vibration behaviors of functionally graded (FG) nanobeams are investigated using a nonlocal quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are introduced. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present theory incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FG nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The neutral surface position for such FG nanobeams is determined and the present theory based on exact neutral surface position is employed here. The governing equations are derived using the principal of minimum total potential energy. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and dynamic responses of the FG nanobeam are discussed in detail. A detailed numerical study is carried out to examine the effect of material gradient index, the nonlocal parameter, the beam aspect ratio on the global response of the FG nanobeam. These findings are important in mechanical design considerations of devices that use carbon nanotubes.
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