The present paper evaluates seismic bearing capacity of rock masses subjected to loads of strip footings using the upper bound method. A general formula was proposed to evaluate the seismic bearing capacity considering both the horizontal and vertical accelerations of the earthquake and the effects of footing embedment depth simultaneously. Modified Hoek-Brown failure criterion was employed for the rock mass. Some comparisons were made with the available solutions and the finite element numerical models to show the accuracy of the developed upper bound formulations. The obtained results show significant improvement compared to the other available solutions. By increasing the horizontal earthquake acceleration from 0.1 to 0.3, the bearing capacity was reduced by up to 39%, while the effect of the vertical earthquake acceleration depends on its direction. An upward acceleration in the range of zero to 0.2 results in an increase in the bearing capacity by up to 24%, while the downward earthquake acceleration has an adverse effect. Also, by increasing the embedment depth of the footing from zero to 5 times the footing width, the value of seismic bearing capacity was raised about 86%. The obtained results were presented as design tables for use in practical applications.
Hossein Moayedi;Mesut Gor;Mansour Mosallanezhad;Soheil Ghareh;Binh Nguyen Le
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.4
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pp.439-453
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2024
The research findings of two nonlinear machine learning and soft computing models- the Cuckoo optimization algorithm (COA) and the Teaching-learning-based optimization (TLBO) in combination with artificial neural network (ANN)-are presented in this article. Detailed finite element modeling (FEM) of a shallow footing on two layers of cohesionless soil provided the data sets. The models are trained and tested using the FEM outputs. Additionally, various statistical indices are used to compare and evaluate the predicted and calculated models, and the most precise model is then introduced. The most precise model is recommended to estimate the solution after the model assessment process. When the anticipated findings are compared to the FEM data, there is an excellent agreement, which indicates that the TLBO-MLP solutions in this research are reliable (R2=0.9816 for training and 0.99366 for testing). Additionally, the optimized COA-MLP network with a swarm size of 500 was observed to have R2 and RMSE values of (0.9613 and 0.11459) and (0.98017 and 0.09717) for both the normalized training and testing datasets, respectively. Moreover, a straightforward formula for the soft computing model is provided, and an excellent consensus is attained, indicating a high level of dependability for the suggested model.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.6
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pp.427-435
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2021
An analysis considering the fluid-structure interaction is required to strictly evaluate the seismic behavior of facilities such as, environmental facilities and dams, that store fluids. Specifically, in the case of an infinite domain in the upstream direction, such as a dam-reservoir system, this should be carefully considered. In this study, we proposed a practical numerical model for both wave propagation and fluid-structure interaction analyses of an infinite domain, for a system with a semi-infinite domain such as a dam-reservoir system. This method was applicable to the time domain, and enabled accurate boundary analysis. For an infinite fluid domain, a small number of mid-point integrated acoustic finite elements were applied instead of a general acoustic finite element, and a viscous boundary was imposed on the outermost boundary. The validity and accuracy of the proposed method were secured by comparing analytic solutions of a reservoir having infinite domain, with the parametric analysis results, for the number of elements and the size of the modeling region. Furthermore, the proposed method was compared with other fluid-structure interaction methods using additional mass.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.4
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pp.572-582
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1989
Elastic deformations of an infinitely long strip and a beam loaded by uniform pressure upon their upper surfaces, with the fixed-free end dondition, are considered within the range of small strains. All local governing equations are satisfied up to first order in strains, and to take into account the higher order terms neglected in the local governing equations, the overall equilibrium is imposed exactly up to the leading order. The success of the approach relies upon the semi-inverse method and the decomposition of deformations in which the classical linear theory guides the solution. The solution bridges the gap between the two extremes-the classical solutions valid only for infinitesimal deformations and the solutions form the technical theories for deformations with large rotations. The solutions may be used to confirm the technical theories and to verify numerical solutions obtained from finite element analysis.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.63
no.10
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pp.1377-1383
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2014
This paper deals with eddy current loss of magnetic coupling with radial permanent magnet (PM) using analytical method such as a space harmonic method. Superposition of two kinds analysis model is used to analyze eddy current loss induced in inner PM and outer PM of magnetic coupling. When the eddy current is induced, the environmental temperature increases, and the permanent magnet(PM) characteristics are degraded because the performance of PM is greatly influenced by temperature rise. Hence, the calculation of eddy current loss becomes an important factor in the magnetic coupling. In order to analyze eddy current loss, first, on the basis of the magnetic vector potential and two-dimensional(2-D) polar-coordinate system, the magnetic field solutions of the radial magnetized PM are obtained. And we obtain the analytical solutions for the eddy current density produced by permanent magnet. Lastly, analytical solutions for eddy current loss are derived by using equivalent, electrical resistance calculated from magnet volume and analytical solution for eddy current density. This analytical results are validated by comparing with the 2-D finite element analysis (FEA).
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.4
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pp.141-150
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1990
Numerical experiments of sballow water equations are performed under various boundary conditions by finite element method to simulate the circulation in estuaries and coastal areas. Galerkin method is employed to discretize spatial domain, and for time integration, finite difference method (Crank-Nicolson scheme) is used. This method is tested in five problems, in which first four cases have analytic solutions. The computed values are well in agreement with the analytic solutions in four experiments and the result of the last 2-dimensional ease is resonable. Implicit and two step Lax-Wendroff schemes in time domain are compared, and the results when using four node bilinear and triangular elements are presented. Consequently it takes very long time for complex problems requiring many elements to integrate all the time steps using the implicit schemes. And the explicit scheme requires careful consideration in selecting the time step and the grid size to obtain the desired accuracy.
This paper presents a hybrid numerical approach, which combines a two-phase Navier-Stokes model (NS) and the fully nonlinear potential theory (FNPT), for modelling wave-structure interaction. The former governs the computational domain near the structure, where the viscous and turbulent effects are significant, and is solved by OpenFOAM/InterDyMFoam which utilising the finite volume method (FVM) with a Volume of Fluid (VOF) for the phase identification. The latter covers the rest of the domain, where the fluid may be considered as incompressible, inviscid and irrotational, and solved by using the Quasi Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method (QALE-FEM). These two models are weakly coupled using a zonal (spatially hierarchical) approach. Considering the inconsistence of the solutions at the boundaries between two different sub-domains governed by two fundamentally different models, a relaxation (transitional) zone is introduced, where the velocity, pressure and surface elevations are taken as the weighted summation of the solutions by two models. In order to tackle the challenges associated and maximise the computational efficiency, further developments of the QALE-FEM have been made. These include the derivation of an arbitrary Lagrangian-Eulerian FNPT and application of a robust gradient calculation scheme for estimating the velocity. The present hybrid model is applied to the numerical simulation of a fixed horizontal cylinder subjected to a unidirectional wave with or without following current. The convergence property, the optimisation of the relaxation zone, the accuracy and the computational efficiency are discussed. Although the idea of the weakly coupling using the zonal approach is not new, the present hybrid model is the first one to couple the QALE-FEM with OpenFOAM solver and/or to be applied to numerical simulate the wave-structure interaction with presence of current.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.6
no.2
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pp.139-149
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1994
In this paper, a finite element technique is applied to the prediction of the wave resonance phenomena in harbors. The mild-slope equation is used with a partial reflection boundary condition introduced to model the energy dissipating effects on the solid boundary. For an efficient modeling of the radiation condition at infinity, a new infinite element is developed. The shape function of the infinite element is derived from the asymptotic behavior of the first kind of the Hankel's function in the analytical boundary series solutions. For the computational efficiency, the system matrices of the element are constructed by performing the relevant integrations in the infinite direction analytically. Comparisons with the results from experiments and other solution methods show that the present model gives fairly good results. Numerical experiments are also carried out to determine the proper distance to the infinite elements from the mouth of the halter, which directly affect the accuracy and efficiency of the solution.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.11
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pp.2442-2449
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2002
This paper provides an reference stress based J estimation equation fur cylinders with finite internal axial surface cracks under internal pressure. In part 1, the J estimation equation based on deformation plasticity using Ramberg-Osgood (R-0) materials is proposed. In this paper, the developed CE/EPRI -type solutions ale then re-formulated based on the reference stress concept. Such a re-formulation provides a simpler equation for J. estimation are then further extended to combined internal pressure and bending. The proposed reference stress based J estimation equation is compared with elastic-plastic 3-D FE results using actual stress-strain data for a Type 304 stainless steel. Good agreement between the FE results and the proposed reference stress based J estimations provides confidence in the use of the proposed method to elastic -plastic fracture mechanics of pressurised piping.
The numerical simulation of dam break problem suffers from several challenges in terms of accuracy, stability, and versatility of the simulation algorithm since the water flow is generally discontinuous and presents abrupt variations. Thus, to obtain stable and accurate solutions, flow models for this purpose require numerical schemes provided with shock-capturing properties, and with the ability to work with flexible two-dimensional meshes. In this context, SU/PG method(Hughes and Brooks, 1979) is excellent candidate for the solution of the dam break problem. The weak formulation of the equations and the discontinuous polynomial basis lead to an accurate representation of bore waves(shocks). Furthermore, the discretization of the domain in finite elements is extremely effective in modeling complex geometries. In this study, a finite element model based on the SU/PG scheme is developed to solve shallow water equations and the model is applied to dam break problem. It is found that the present model accurately captures the bore wave that propagates downstream while spreading laterally and the depression wave that moves upstream. Furthermore, the propagation and formation of water surface profile compared favorably with those obtained by the previously published results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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