This paper examines the fire performance of uninsulated and uncoated restrained steel-concrete composite beams supplemented with externally prestressed strands through advanced numerical simulation. In this work, a sequentially coupled thermo-mechanical analysis is carried out using ABAQUS. This analysis utilizes a highly nonlinear three-dimensional finite element (FE) model that is specifically developed and validated using full-sized specimens tested in a companion fire testing program. The developed FE model accounts for nonlinearities arising from geometric features and material properties, as well as complexities resulting from prestressing systems, fire conditions, and mechanical loadings. Four factors are of interest to this work including effect of restraints (axial vs. rotational), degree of stiffness of restraints, the configuration of external prestressed tendons, and magnitude of applied loading. The outcome of this analysis demonstrates how the prestressing force in the external tendons is primarily governed by the magnitude of applied loading and experienced temperature level. Interestingly, these results also show that the stiffness of axial restraints has a minor influence on the failure of restrained and prestressed steel-concrete composite beams. When the axial restraint ratio does not exceed 0.5, the critical deflection of the composite beam is lower than that of the composite beam with a restraint ratio of 1.0.
This paper investigates the stability of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical beam made of imperfect concrete, taking into account size-dependency and the effect of geometry on its stability behavior. Both buckling and dynamic behavior are analyzed using the modified coupled stress theory and the classical beam theory. The BD-FG structure is created by using porosity-dependent FG concrete, with changing porosity voids and material distributions along the pipe radius, as well as uniform and nonuniform radius functions that vary along the beam length. Energy principles are used to generate partial differential equations (PDE) for stability analysis, which are then solved numerically. This study sheds light on the complex behavior of BD-FG structures, and the results can be useful for the design of stable cylindrical microstructures.
Han, Sang Whan;Hyun, Jungho;Cho, EunSeon;Lee, Kihak
Steel and Composite Structures
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v.42
no.5
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pp.657-669
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2022
Structural materials can experience large plastic deformation under extreme cyclic loading that is caused by events like earthquakes. To evaluate the seismic safety of a structure, accurate numerical material models should be used. For a steel structure, the cyclic strain hardening behavior of structural steel should be correctly modeled. In this study, a combined hardening model, consisting of one isotropic hardening model and three nonlinear kinematic hardening models, was used. To determine the values of the combined hardening model parameters efficiently and accurately, the improved opposition-based particle swarm optimization (iOPSO) model was adopted. Low-cycle fatigue tests were conducted for three steel grades commonly used in Korea and their modeling parameters were determined using iOPSO, which was first developed in Korea. To avoid expensive and complex low cycle fatigue (LCF) tests for determining the combined hardening model parameter values for structural steel, empirical equations were proposed for each of the combined hardening model parameters based on the LCF test data of 21 steel grades collected from this study. In these equations, only the properties obtained from the monotonic tensile tests are required as input variables.
This article addresses the quasi-static analysis of time-dependent honeycomb sandwich plates with various geometrical properties based on the bending analysis of elastic honeycomb sandwich plates employing a time function with three unknown coefficients. The novel point of the developed method is that the responses of viscoelastic honeycomb sandwich plates under static transversal loads are clearly formulated in the space and time domains with very low computational costs. The mechanical properties of the sandwich plates are supposed to be elastic for the faces and viscoelastic honeycomb cells for the core. The Boltzmann superposition integral with the constant bulk modulus is used for modeling the viscoelastic material. The shear effect is expressed using the first-order shear deformation theory. The displacement field is predicted by the product of a determinate geometrical function and an indeterminate time function. The simple HP cloud mesh-free method is utilized for discretizing the equations in the space domain. Two coefficients of the time function are extracted by answering the equilibrium equation at two asymptotic times. And the last coefficient is easily determined by solving the first-order linear equation. Numerical results are presented to consider the effects of geometrical properties on the displacement history of viscoelastic honeycomb sandwich plates.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.3
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pp.315-324
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2012
This paper presents a numerical investigation of the deflagration-to-detonation transition (DDT) of flame acceleration by a shock wave filled with an ethylene/air mixture as the combustible gas, considering geometrical changes by using obstacles and bent tubes. The model used consists of the reactive compressible Navier-Stokes equations and the ghost fluid method (GFM) for complex boundary treatment. Simulations with a variety of bent tubes with obstacles show the generation of hot spots through flame and strong shock-wave interactions, and restrained or accelerated flame propagation due to geometrical effects. In addition, the simulation results show that the DDT occurs with a nearly constant chemical heat-release rate of 20 MJ/($g{\bullet}s$) in our numerical setup. Furthermore, the DDT triggering time can be delayed by the absence of unreacted material together with insufficient pressures and temperatures induced by different flame shapes, although hot spots are formed in the same positions.
This paper investigates the applicability of newly developed Cu-Al-Mn shape memory alloy (SMA) bars to retrofitting of historical masonry constructions by performing quasi-static tests of half-scale brick walls subjected to cyclic out-of-plane flexure. Problems associated with conventional steel reinforcing bars lie in pinching, or degradation of stiffness and strength under cyclic loading, and in their inability to restrain residual deformations in structures during and after intense earthquakes. This paper attempts to resolve the problems by applying newly developed Cu-Al-Mn SMA bars, characterized by large recovery strain, low material cost, and high machinability, as partial replacements for steel bars. Three types of brick wall specimens, unreinforced, steel reinforced, and SMA reinforced specimens are prepared. The specimens are subjected to quasi-static cyclic loading up to rotation angle enough to cause yielding of reinforcing bars. Corresponding nonlinear finite element models are developed to simulate the experimental observations. It was found from the experimental and numerical results that both the steel reinforced and SMA reinforced specimens showed substantial increment in strength and ductility as compared to the unreinforced specimen. The steel reinforced specimen showed pinching and significant residual elongation in reinforcing bars while the SMA reinforced specimen did not. Both the experimental and numerical observations demonstrate the superiority of Cu-Al-Mn SMA bars to conventional steel reinforcing bars in retrofitting historical masonry constructions.
Providakis, C.P.;Triantafillou, T.C.;Karabalis, D.;Papanicolaou, A.;Stefanaki, K.;Tsantilis, A.;Tzoura, E.
Smart Structures and Systems
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v.14
no.5
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pp.811-830
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2014
A numerical study has been carried out to simulate an innovative monitoring procedure to detect and localize damage in reinforced concrete beams retrofitted with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) unidirectional laminates. The main novelty of the present simulation is its ability to conduct the electromechanical admittance monitoring technique by considerably compressing the amount of data required for damage detection and localization. A FEM simulation of electromechanical admittance-based sensing technique was employed by applying lead zirconate titanate (PZT) transducers to acquire impedance spectrum signatures. Response surface methodology (RSM) is finally adopted as a tool for solving inverse problems to estimate the location and size of damaged areas from the relationship between damage and electromechanical admittance changes computed at PZT transducer surfaces. This statistical metamodel technique allows polynomial models to be produced without requiring complicated modeling or numerous data sets after the generation of damage, leading to considerably lower cost of creating diagnostic database. Finally, a numerical example is carried out regarding a steel-reinforced concrete (RC) beam model monotonically loaded up to its failure which is also retrofitted by a CFRP laminate to verify the validity of the present metamodeling monitoring technique. The load-carrying capacity of concrete is predicted in the present paper by utilizing an Ottosen-type failure surface in order to better take into account the passive confinement behavior of retrofitted concrete material under the application of FRP laminate.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.26
no.3
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pp.199-205
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2013
In this study, the methodology for the fatigue life prediction using finite element method(FEM) in wire, bundle and assembly level of the wire harness system and the development of the fatigue life test machine for the numerical analysis are investigated. To obtain stress-life(S-N) histories of the componential wires of the system, five kinds of wires are prepared and applied to the repeated bending motion using developed fatigue life test equipment. Equivalent model of the wire from the rule of mixtures theory is used for the material modeling of sheath and wire core combination. Contact conditions among the wires, taping conditions are established through the bundle level test and numerical bundle analysis. Wire and bundle level results are adopted for the assembly level analysis. For the assembly level analysis, real wire harness system including bundle and grommet is numerically modeled and applied contact condition between wires with real opening motion. The fatigue life more than 700,000 cycles of the assembly is obtained from the FEM, and it is confirmed that the result has good agreement with the experimental result.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.6A
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pp.411-418
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2012
In this study, behavior of unpatched and patched cylindrical shells with through-wall cracks has been estimated using numerical experiments, and patching effect of them has been investigated according to various patching parameters. To show credibility of numerical models considered, two ways such as h- and p-methods have been adopted. Also, domain integral method and virtual crack extension method have been considered to calculate energy release rates based on linear elastic fracture mechanics. For examples, the unpatched cylindrical shells with circumferential cracks under remote tension have firstly been analyzed to show the validity of finite element modeling with h-method or p-method, and then the results have been compared with literature values published. Next, the sensitive analysis of patch repaired problems in terms of thickness of patch and adhesive, shear modulus of adhesive, composite material type of patch, crack length, etc. has been carried out.
Riverbank filtration is a kind of artificial aquifer recharge for the fresh water supply. By construction of several production wells penetrating the riverbank, surface water withdrawn from the river would pass riverbed. This extracted water is well known to be cooler than surface water in summer and warmer than surface water in winter, showing more constant water temperature. This characteristic of extracted water is applied to geothermal energy utilization. Prediction of the annual temperature variation of filtrated water is the major concern in this study. In Daesan-myeon, Changwon-si, Gyeongsangnam-do, South Korea, riverbank filtration facility has been on its operation for municipal water supply and thermal energy utilization since 2006. Appropriate hydraulic and thermal properties were estimated for flow and heat transfer modeling with given pumping rate and location. With the calibrated material properties and boundary conditions, we numerically reproduced measured head and temperature variation with acceptable error range. In the numerical simulation, the change of saturation ratio and river stage caused by rainfall was calculated and the resulting variation of thermal capacity and thermal conductivity was considered. Simulated temperature profiles can be used to assess the possible efficiency of geothermal energy utilization using riverbank filtration facility. Influence of pumping rate, pumping location on the extracted water temperature will be studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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