KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.37
no.2
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pp.357-367
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2017
Bending and axial forces simultaneously occur at the cross-section of a shotcrete lining reinforced with steel supports due to the tunnel geometry. The shotcrete has changing flexural stiffness depending on the axial forces and, as a result, severely nonlinear behavior. The mechanical properties of a shotcrete-steel composite also depend on the type of steel support. This study presents a fiber section element model considering the effect of axial force to evaluate the nonlinear behavior of a shotcrete-steel composite. Additionally, the model was used to analyze the effects of different types of steel supports on the load capacity. Furthermore, a modified hyperbolic model for ground reaction, including strain-softening, is proposed to account for the ground-lining interaction. The model was validated by comparing the numerical results with results from previous load test performed on arched shotcrete specimens. The changes in mechanical responses of the lining were also investigated. Results show a lining with doubly reinforcement rebar has similar load capacity as a lining with H-shaped supports. The use of more materials for the steel support enhances the residual resistance. For all types of steel reinforcement, the contribution of steel supports during peak load decreases as the ground becomes stiffer.
Huang, Dunwen;Wei, Jun;Liu, Xiaochun;Zhang, Shizhuo;Chen, Tao
Steel and Composite Structures
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v.28
no.1
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pp.39-49
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2018
The concrete bridge decks are usually precast and in-situ assembled with steel girders with post-pouring joint in the construction practice of super-wide steel-concrete composite beam. But the difference of concrete age between the precast slabs and the post-pouring joint has been not yet considered for the long-term performance analysis of this kind composite beam. A simply supported precast-assembled T-shaped beam was taken as an example to analyze the long-term performance of steel-concrete composite beam with post-pouring joint. Based on the deformation coordination conditions of the old-new concrete deck and steel girder, a theoretical model for the long-term behavior of precast-assembled composite beam is proposed in this paper according to age-adjusted effective modulus method. Then, the feasibility of the proposed model is verified by the available test data from the Gilbert's composite beams. Parametric studies were preformed to evaluate the influences of the cross-sectional area ratio of the post-pouring joint to the whole bridge deck, as well as the difference of concrete age between the precast slabs and the post-pouring joint, on the long-term performance of the composite beam. The results indicate that the traditional method without considering the age difference would seriously underestimate the effect of creep and shrinkage of concrete bridge decks. The concrete age difference between the precast slabs and the post-pouring joint should be demonstrated for the life cycle design and long-term performance analysis of precast-assembled steel-concrete composite beams.
For microstructural analysis of a friction stir welded (FSWed) joint of advanced high-strength steels, dual phase (DP) and complex phase (CP) steels, are studied. FSWed joints are successfully fabricated in the following four cases: (i) DP/DP; (ii) CP/CP; (iii) DP/CP, where the advancing side is DP and the retreating side is CP; (iv) CP/DP, where the advancing side is CP and the retreating side is DP. The stir zone (SZ) of (i) the DP/DP joint mainly consists of lath martensite, while the stir zone of (ii) the CP/CP joint consists not only of lath martensite but also of bainite. In the case of (iii) DP/CP and (iv) CP/DP, they exhibit a similar microstructure including acicular-shaped phases in the joints; however, cross-sections of the joints show differences in material mixing in each case. In (iv) the CP/DP joint, temperature towards the CP steel is sufficient to cause softening, thus leading to better mixing than that in (iii) DP/CP. The phases of the SZ in each of the four cases are formed by phase transformation during the FSWed process; however, the transformed phase volume fraction of CP steel is lower than that of DP steel, indicating that dynamic recrystallization occurs mainly in CP steel. The hardness values of the SZ are significantly higher than those of the base materials, especially, the SZ of (iii) the DP/CP joint has the highest value due to highest fraction of lath martensite.
Trap effect of groove is evaluated in a lubricating system using computational fluid dynamics (CFD) analysis. The simulation is based on the standard k-ε turbulence model and the discrete phase model (DPM) using a commercial CFD code FLUENT. The simulation results are also capable of showing the particle trajectories in flow field. Computational domain is meshed using the GAMBIT pre-processor. The various grooves are applied in order to improve lubrication characteristics such as reduction of friction loss, increase in load carrying capacity, and trapping of the wear particles. Trap effect of groove is investigated with variations in cross-sectional shape and Reynolds number in this research. Various cross-sectional shapes of groove (rectangular, triangle, U shaped, trapezoid, elliptical shapes) are considered to evaluate the trap effect in simplified two-dimensional sliding bearing. The particles are assumed to steel, and defined a single particle injection condition in various positions. The “reflect” boundary condition for discrete phase is applied to the wall boundary, and the “escape” boundary condition to “pressure inlet” and “pressure outlet” conditions. The streamlines are compared with particles trajectories in the groove. From the results of numerical analysis in the study, it is found that the cross-sectional shapes favorable to the creation of vortex and small eddy current are effective in terms of particle trapping effect. Moreover, it is found that the Reynolds number has a strong influence on the pattern of vortex or small eddy current in the groove, and that the pattern of the vortex or small eddy current affects the trap effect of the groove.
Sandeep, M.S.;Nagarajan, Praveen;Shashikala, A.P.;Habeeb, Shehin A.
Advances in Computational Design
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v.1
no.3
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pp.253-264
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2016
Based on the variation of strain along the cross section, any region in a structural member can be classified into two regions namely, Bernoulli's region (B-region) and Disturbed region (D-region). Since the variation of strain along the cross section for a B-region is linear, well-developed theories are available for their analysis and design. On the other hand, the design of D-region is carried out based on thumb rules and past experience due to the presence of nonlinear strain distribution. Strut-and-Tie method is a novel approach that can be used for the analysis and design of both B-region as well as D-region with equal importance. The strut efficiency factor (${\beta}_s$) is needed for the design and analysis of concrete members using Strut and Tie method. In this paper, equations for finding ${\beta}_s$ for bottle shaped struts in concrete deep beams (a D-region) with and without steel fibres are developed. The effects of transverse reinforcement on ${\beta}_s$ are also considered. Numerical studies using commercially available finite element software along with limited amount of experimental studies were used to find ${\beta}_s$.
Kim, Jae Young;Lee, Ga Yoon;Yoo, Young Jong;An, Sang Hee;Lee, Kihak
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.3
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pp.35-43
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2023
This study aims to evaluate the structural safety of a structural thermal barrier, installed inside the structure of a building and performed the role of a load-bearing element and an insulation simultaneously, contributing to the realization of net-zero buildings. To ensure the reliability of the analysis model, the analysis results derived from LS-DYNA were compared with the experimental results. Based on the results shown through the flexural experiment, the reliability of the thermal cross-section insulation structure model for slabs was validated. In addition, the effect of the UHPC block on the load support performance and its contribution to vertical deflection was verified.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.135-142
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1999
Plate girder bridges for tile Korean high-speed railway are optimally designed. Static and dynamic constraints are all considered. The design variables are the thicknesses and the lengths of the plates that are used to form I-shaped main girders with variable cross-sections. And the objective function is tile steel weight of a main girder. A C++ based design program is developed; this program interfaces with a FORTRAN based optimization program ADS. From the results of optimal design for various span lengths, it is observed that the deck vertical acceleration is one of the most important constraints in a special range of tile span length. Front a parametric study, sensitivity of the optimal design to static as well as dynamic constraints are presented.
The present paper hopes to elucidate the problem of determining if a given I-shaped cross-section is properly proportioned to accommodate sufficient plastic hinge rotation capacity to facilitate the redistribution of moments in a structural system as needed to accommodate the formation of a collapse mechanism. It might be tempting to believe that application of the limiting flange plate slenderness value for the case of major axis flexure are applicable in this case; since the pervasive belief is that this approach ought to be conservative. However, the present research study indicates that this is not the case and thus more sophisticated analysis techniques are required to better understand this case.
Nearly 400 composite railway bridge decks of a new kind belonging to the trough type with U-shaped cross section have been constructed in Belgium over the last fifteen years. The construction of these bridge decks is rather complex with the preflexion of precambered steel girders, the prestressing of a concrete slab and the addition of a 2nd phase concrete. Until now, they have been designed with a classical computation method using a pseudo-elastic analysis with modular ratios. Globally, they perform according to the expectations but variability has been observed between the measured and the computed camber of these bridge decks just after the transfer of prestressing and also at long-term. A statistical analysis of the variability of the relative difference between the measured camber and the computed camber is made for a sample of 36 bridge decks using no less than 10 variables. The most significant variables to explain this variability at prestressing are the ratio between the maximum tensile stress reached in the steel girders during the preflexion and the yield strength and the type of steel girder. For the same sample, the long-term camber under permanent loading is computed by two methods and compared with measurements taken one or two years after the construction. The camber computed by the step-by-step method shows a better agreement with the measured camber than the camber computed by the classical method. The purpose of the paper is to report on the statistical analysis which was used to determine the most significant parameters to consider in the modeling in order to improve the prediction of the behaviour of these composite railway bridge decks.
In this study, cyclic loading tests were conducted to assess the seismic performance of cast-in-place (CIP) concrete-filled hollow core precast concrete columns (HPCC) constructed using steel ducts and rubber tubes. The outer shells of HPCC, with a hollow ratio of 47%, were fabricated using steel ducts and rubber tubes, respectively. Two combinations of shear studs & long threaded bars or cross-deformed bars & V-ties were employed to ensure the structural integrity of the old concrete (outer shell) and new CIP concrete. Up to a drift ratio of 3.8%, the hysteresis loop, yielding stiffness, dissipated energy, and equivalent damping ratio of the HPCC specimens were largely comparable to those of the solid columns. Besides the similarities in cyclic load-displacement responses, the strain history of the longitudinal bars and the transverse confinement of the three specimens also exhibited similar patterns. The measured maximum moment exceeded the predicted moment according to ACI 318 by more than 1.03 times. However, the load reduction of the HPCC specimen after reaching peak strength was marginally greater than that of the solid specimen. The energy dissipation and equivalent damping ratios of the HPCC specimens were 20% and 25% lower than those of the solid specimen, respectively. Taking into account the overall results, the structural behavior of HPCC specimens fabricated using steel ducts and rubber tubes is deemed comparable to that of solid columns. Furthermore, it was confirmed that the two combinations for securing structural integrity functioned as expected, and that rubber air-tubes can be effectively used to create well-shaped hollow sections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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