Existing microplane models for concrete use three-dimensional spherical microplanes in the analysis of two-dimensional planar members as well as three-dimensional members. Also, they do not accurately describe the post-cracking behavior of reinforced concrete in tension-compression. In this study, a new microplane model is developed to overcome the disadvantages of the existing models. Instead of the spherical microplanes, the proposed microplane model uses disk microplanes involving a less number of microplanes and two-dimensional stresses and strains. As the result, the proposed model is more effective in numerical calculations. Also, the concept of the strain boundary is introduced to describe accurately the compressive behavior of reinforced concrete with tensile cracks in tension-compression. The validity of the proposed model is verified by comparison with existing experiments. In this paper, the microplane model and the numerical techniques involved in the finite element analysis are described in detail.
The cost effectiveness of using steel roof systems for residential buildings is becoming increasingly apparent with the decrease in manufacturing cost of steel components, reliability and efficiency in construction practices, and the economic and environmental concerns. While steel has been one of the primary materials for structural systems, it is only recently that its use for residential buildings is being explored. A comprehensive system for the design of residential steel roof truss systems is presented. In the first stage of the research the design curves obtained from the AISI-LRFD code for the manufactured cross-sections were verified experimentally. Components of the truss systems were tested in order to determine their member properties when subjected to axial force and bending moments. In addition, the experiments were simulated using finite element analysis to provide an additional source of verification. The second stage of the research involved the development of an integrated design approach that would automatically design a lowest cost roof truss given minimal input. A modified genetic algorithm was used to handle sizing, shape and topology variables in the design problem. The developed methodology was implemented in a software system for the purpose of designing the lowest cost truss that would meet the AISI code provisions and construction requirements given the input parameters. The third stage of the research involved full-scale testing of a typical residential steel roof designed using the developed software system. The full scale testing established the factor of safety while validating the analysis and design procedures. Evaluation of the test results indicates that designs using the present approach provide a structure with enough reserve strength to perform as predicted and are very economical.
Jiao, Jinfeng;Ma, Xiao;Lei, Honggang;Chen, Y. Frank
International journal of steel structures
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v.18
no.5
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pp.1525-1540
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2018
A test rig with multi-functional purposes was specifically designed and manufactured to study the behavior of multi-planar welded tubular joints subjected to multi-planar concurrent axial loading. An experimental investigation was conducted on full-scale welded tubular joints with each consisting of one chord and eight braces under monotonic loading conditions. Two pairs or four representative specimens (two specimens for each joint type) were tested, in which each pair was reinforced with two kinds of different internal stiffeners at the intersections between the chords using welded rectangular hollow steel sections (RHSSs) and the braces using rolled circular hollow steel sections (CHSSs) and welded RHSSs. The effects of different internal stiffeners at the chord-brace intersection on the load capacity of joints under concurrent multi-planar axial compression/tension are discussed. The test results of joint strengths, failure modes, and load-stress curves are presented. Finite element analyses were performed to verify the experimental results. The study results show that the two different joint types with the internal stiffeners at the chord-brace intersection under axial compression/tension significantly increase the corresponding ultimate strength to far exceed the usual design strength. The load carrying capacity of welded tubular joints decreases with a higher degree of the manufacturing imperfection in individual braces at the tubular joints. Furthermore, the interaction effect of the concurrent axial loading applied at the welded tubular joint on member stress is apparent.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.1
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pp.95-102
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2023
This study investigated the structural performance of wire-integrated steel decks with varied lattice end support conditions through finite element analysis. The results indicated that the steel decks with the lattice foots positioned above the supporting structural member have the higher system stiffness compared to the cases with the lattice foots shifted away from the support. It is also observed that the contribution of the end vertical bars on both the system stiffness and the strength is negligible when the lattice foots are located on the support. It is, especially, revealed that the end vertical bars can be eliminated when the lattice foot length is not smaller than 40mm. The ultimate load-carrying capacity of the system is not significantly affected by the lattice end support condition. The failure mode of the system is the top bar buckling at the center of the deck plate, the lattice end buckling, and the combination of both depending of design intention.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.6
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pp.118-126
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2011
The objective of this paper is to study the structural behavior of Composite Basement Wall (CBW) according to shear span-to-depth ratio through an experiment and predict the nonlinear behavior of CBW by using ADINA program widely has been being used for FE analysis. Especially, this study focuses on the part of CBW in which the Reinforced Concrete (RC) is under compression stress; At the region of CBW around each floor, RC part stresses by compressive force when lateral press by soil acts on the wall. The contact condition between RC wall and steel (H-Pile) including stud connector is main factor in the analysis since it governs overall structural behavior. In order to understand the structural behavior of CBW whose RC part is under compressive stress, an experimental work and finite element analysis were performed. Main parameter in the test is shear span-to-depth ratio. For simplicity in analysis, reinforcements were not modeled as a seperated element but idealized as smeared to concrete. All elements were modeled to have bi-linear relation of material properties. Three type of contact conditions such as All Generate Option (AGO), Same Element Group Option with Tie(SEGO-T) and Same Element Group Option with Not tie(SEGO-NT) were considered in the analysis. For each analysis, the stress flow and concentration were reviewed and analysis result was compared to test one. From the test result, CBW represented ductile behavior by contribution of steel member even if it had short shear span-to-depth ration which is close to "1". The global composite behavior of CBW whose concrete wall was under compressive stress could be predicted by using contact element in ADINA program. Especially, the modeling by using AGO and SEGO-T showed more close relation on comparing with test result.
Conventional nonlinear finite element analysis requires complicated modeling and analytical technique. Furthermore, it is difficult to interpret the analytical results presented as the stress-strain relationship. In the present study, a design-oriented analytical method using the truss model was developed. A reinforced concrete member to be analyzed was idealized by longitudinal, transverse, and diagonal line elements. Basically, each element was modeled as a composite element of concrete and re-bars. Simplified cyclic models for the concrete and re-bar elements were developed. RC beams and walls with various reinforcement details were analyzed by the proposed method. The inelastic strength, energy dissipation capacity, deformability, and failure mode predicted by the proposed method were compared with those of existing experiments. The results showed that the proposed model accurately predicted the strength and energy dissipation capacities, and to predict deformability of the members, the compression-softening model used for the concrete strut element must be improved.
Kim, Seung-Jun;Han, Seung-Ryong;Kim, Jong-Min;Cho, Sun-Kyu;Kang, Young-Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.23
no.1
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pp.13-27
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2011
This paper presents an investigation of the structural stability of cable-stayed bridges, using geometric nonlinear finite-element analysis and considering various geometric nonlinearities, such as the sag effect of the cables, the beam-column effect of the girder and mast, and the large displacement effect. In this analytic research, a nonlinear frame element and a nonlinear equivalent truss element were used to model the girder, mast, and cable member. The live-load cases that were considered in this research were assumed based on the traffic loads. To perform reasonable analytic research, initial shape analyses in the dead-load case were performed before live-load analysis. In this study, the geometric nonlinear responses of the cable-stayed bridges with different cable arrangement types were compared. After that, parametric studies on the characteristics of the structural stability in critical live-load cases were performed considering various geometric parameters, such as the cable arrangement type, the stiffness ratios of the girder and mast, the area of the cables, and the number of cables. Through this parametric study, the effect of geometric shapes on the structural stability of cable-stayed bridges was investigated.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.27
no.1
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pp.24-34
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1990
In this paper, the formulation of a new simplified finite element is made to analyze the ultimate strength of damaged tubular members subjected to combined axial force and end moment. A damaged tubular member that has the bending deformation and the local dent is modeled by beam elements. Tangent elastic stiffness matrix of a beam element which contains the effect of the geometric nonlinearity is derived by using the updated Lagrangian approach. Here the contribution of the stiffness in the dented area is neglected since its resistance against the external loads is considered to be small. A fully plastic interaction curve of the element under combined loads taking account of the local dent effect is selected as a yielding criterion at each nodal point. Also tangent elasto-plastic stiffness matrix of the element is formulated by plastic node method. Comparison with the present solution and the existing experimental results is made showing that the present method gives quite an accurate solution.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.6
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pp.53-62
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2018
Follofwing the accelerating speed-up of trains and rising demand for large-volume transfer capacity, not only in Korea, but also around the world, track structures for trains have been improving consistently. Precast concrete slab track (PST), a concrete structure track, was developed as a system that can fulfil new safety and economic requirements for railroad traffic. The purpose of this study is to provide the information required for the development and design of the system in the future, by analyzing the behavior of each structural member of the PST system. The stress distribution result for different combinations of appropriate loads according to the KRL-2012 train load and KRC code was analyzed by conducting a three-dimensional finite element analysis, while the result for different thicknesses of the grouting layer is also presented. Among the structural members, the largest stress took place on the grouting layer. The stress changed sensitively following the thickness and the combination of loads. When compared with a case of applying only a vertical KRL-2012 load, the stress increased by 3.3 times and 14.1 times on a concrete panel and HSB, respectively, from the starting load and temperature load. When the thickness of the grouting layer increased from 20 mm to 80 mm, the stress generated on the concrete panel decreased by 4%, while the stress increased by 24% on the grouting layer. As for the cracking condition, tension cracking was caused locally on the grouting layer. Such a result indicates that more attention should be paid to the flexure and tension behavior from horizontal loads rather than from vertical loads when developing PST systems. In addition, the safety of each structural member must be ensured by maintaining the thickness of the grouting layer at 40 mm or more.
Generally, application of steel pipe pile as deep foundation member needs special requirement for the connection method between steel pipe pile and concrete footing. Even though two types of connection method are suggested in the related specification, type B-method is provident. To investigate real structural behavior of type B connection, several load tests are done with carefully designed experimental system. The purpose of this experiment is mainly focused on the understanding of actual behavior which can be predicted by design theory. At this research stage, vertical and lateral loading test are done for three types of specimen to review stress concentration, formation and behavior of imaginary RC column in the footing and effect of non-slip device installed in the steel pipe pile. The load resistance mechanism in these specific connection method is predicted based on both experimental results. The three-dimensional finite element modeling is also done for the purpose of comparison between numerical and experimental result. With all the results gained from experiment the structural behavior of imaginary RC column in the design concept is confirmed. The role of non-slip device is very important and it affects the resistance capacity with help of composite action of concrete and steel pipe pile.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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