An effective tool for researching actual problems in geotechnical and mining engineering is to conduct physical modeling tests using similar materials. A reliable geometric scaled model test requires selecting similar materials and conducting tests to determine physical properties such as the mixing ratio of the mixed materials. In this paper, a method is proposed to determine similar materials that can reproduce target properties using a polynomial model based on experimental results on modeling materials using a gypsum-sand mixture (GSM) to simulate rocks. To that end, a database is prepared using the unconfined compressive strength, elastic modulus, and density of 459 GSM samples as output parameters and the weight ratio of the mixing materials as input parameters. Further, a model that can predict the physical properties of the GSM using this database and a polynomial approach is proposed. The performance of the developed method is evaluated by comparing the predicted and observed values; the results demonstrate that the proposed polynomial model can predict the physical properties of the GSM with high accuracy. Sensitivity analysis results indicated that the gypsum-water ratio significantly affects the prediction of the physical properties of the GSM. The proposed polynomial model is used as a powerful tool to simplify the process of determining similar materials for rocks and conduct highly reliable experiments in a physical modeling test.
The purpose of this experiment was to investigate the applicability of audio-visual modeling for improving the efficiency of rehabilitative programs by analyzing the effects of observing these various models on the capacity of stroke patients to perform upper limb activities. Twenty-one stroke patients participated in the experiment and were randomly assigned to either task modeling, sport modeling, or control group. During 2 weeks of intervention, subjects in all groups participated in the physical practice of experimental tasks. These tasks comprised of a Nine Hole Peg Test, the Jebsen-Taylor Hand Function tests, and locomotion. These tasks were performed 5 days a week, 30 min per day. In addition to the physical practice, the task modeling group observed a model performing experimental tasks and locomotive activities for 20 min, while the sport modeling group observed a model performing various sport activities for 20 min. Subjects' ability to perform the experimental tasks was measured 3 times, before, immediately after, and 1 week after the intervention. Analyses of the capacity to perform upper extremity activities displayed significant improvement from the pre-test to immediate and delayed post-tests in all groups. However, the amount of improvement was the highest in the task modeling group. The task modeling group was superior to the control group in the post-test of all experimental tasks, whereas the sport modeling group did not display significant differences from the control group. These results suggest that audio-visual modeling can be used as an effective cognitive intervention for facilitating the rehabilitation of stroke patients, and its rehabilitative effect can be maximized when the program is comprised of performance scenes directly related to the target task.
In geotechnical engineering, the mechanical characteristics of soil, the main material of geotechnical engineering, is highly related to the confining stress. Reduced-scale physical modeling is often conducted to evaluate the performance or to verify the behavior of the geotechnical systems. However, reduced-scale physical modeling cannot replicate the behavior of the full-scale prototype because the reduced-scale causes difference of self weight stress level. Geotechnical centrifuges are commonly used for physical model tests to compensate the model for the stress level. Physical modeling techniques using centrifuge are widely adopted in most of geotechnical engineering fields these days due to its various advantages. In this paper, fundamentals of geotechnical centrifuge modeling and its application area are explained. State-of-the-art geotechnical centrifuge equipment is also described as an example of KOCED geotechnical centrifuge facility at KAIST.
Uplift response of rectangular anchor plates has been investigated in physical model tests and numerical simulation using Plaxis. The behavior of rectangular plates during uplift test was studied by experimental data and finite element analyses in cohesionless soil. Validation of the analysis model was also carried out with 200 mm and 300 mm diameter of rectangular plates in sand. Agreement between the uplift responses from the physical model tests and finite element modeling using PLAXIS 2D, based on 200 mm and 300 mm computed maximum displacements were excellent for rectangular anchor plates. Numerical analysis using rectangular anchor plates was conducted based on hardening soil model (HSM). The research has showed that the finite element results gives higher than the experimental findings in dense and loose packing of cohesionless soil.
Operation parameters for large scale industrial facility such as iron making plant are carefully selected through elaborate tests and monitoring rather than through a mathematical modeling. One of the recent progresses for better energy utilization in iron ore sintering process is the distribution pattern of fuel inside a macro particle which is formed with fines of iron ore, coke and limestone. Results of model tests which have been used as a basis for the improved operation in the field are introduced and a theoretical modeling study is presented to supplement the experiment-based approach with fundamental arguments of physical modeling, which enables predictive computation beyond the limited region of tests and adjustment. A single fuel particle model along with one-dimensional bed combustion model of solid particles are utilized, and thermal processes of combustion and heat transfer are found to be dominant consideration in the discussions of productivity and energy utilization in the sintering process.
The uplift response of symmetrical square anchor plates has been evaluated in physical model tests and numerical simulations using Plaxis. The behavior of square anchor plates during uplift test was studied by experimental data and finite element analyses in loose sand. Validation of the analysis model was also carried out with 50 mm, 75 mm and 100 mm Length square plates in loose sand. Agreement between the uplift responses from the physical model tests and finite element modeling using PLAXIS 2D, based on 100 mm computed maximum displacements was excellent for square anchor plates. Numerical analysis using square anchor plates was conducted based on the hardening soil model (HSM). The research has shown that the finite element results are higher than the experimental findings in loose sand.
Tasiopoulou, Panagiota;Taiebat, Mahdi;Tafazzoli, Nima;Jeremic, Boris
Coupled systems mechanics
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제4권1호
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pp.37-65
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2015
Modeling and simulation of mechanical response of infrastructure object, solids and structures, relies on the use of computational models to foretell the state of a physical system under conditions for which such computational model has not been validated. Verification and Validation (V&V) procedures are the primary means of assessing accuracy, building confidence and credibility in modeling and computational simulations of behavior of those infrastructure objects. Validation is the process of determining a degree to which a model is an accurate representation of the real world from the perspective of the intended uses of the model. It is mainly a physics issue and provides evidence that the correct model is solved (Oberkampf et al. 2002). Our primary interest is in modeling and simulating behavior of porous particulate media that is fully saturated with pore fluid, including cyclic mobility and liquefaction. Fully saturated soils undergoing dynamic shaking fall in this category. Verification modeling and simulation of fully saturated porous soils is addressed in more detail by (Tasiopoulou et al. 2014), and in this paper we address validation. A set of centrifuge experiments is used for this purpose. Discussion is provided assessing the effects of scaling laws on centrifuge experiments and their influence on the validation. Available validation test are reviewed in view of first and second order phenomena and their importance to validation. For example, dynamics behavior of the system, following the dynamic time, and dissipation of the pore fluid pressures, following diffusion time, are not happening in the same time scale and those discrepancies are discussed. Laboratory tests, performed on soil that is used in centrifuge experiments, were used to calibrate material models that are then used in a validation process. Number of physical and numerical examples are used for validation and to illustrate presented discussion. In particular, it is shown that for the most part, numerical prediction of behavior, using laboratory test data to calibrate soil material model, prior to centrifuge experiments, can be validated using scaled tests. There are, of course, discrepancies, sources of which are analyzed and discussed.
This paper presents a mechanistic approach to uniaxial viscoelastic constitutive modeling of asphalt concrete that accounts for damage evolution under cyclic loading conditions. An elasticviscoelastic correspondence principle in terms of pseudo variables is applied to separately evaluate viscoelasticity and time-dependent damage growth in asphalt concrete. The time-dependent damage growth in asphalt concrete is modeled by using a damage parameter based on a generalization of microcrack growth law. Internal state variables that describe the hysteretic behavior of asphalt concrete are determined. A constitutive equation in terms of stress and pseudo strain is first established for controlled-strain mode and then transformed to a controlled-stress constitutive equation by simply replacing physical stress and pseudo strain with pseudo stress and physical strain. Tensile uniaxial fatigue tests are performed under the controlled-strain mode to determine model parameters. The constitutive equations in terms of pseudo strain and pseudo stress satisfactorily predict the constitutive behavior of asphalt concrete all the way up to failure under controlled-strain and -stress modes, respectively.
Uplift response of symmetrical circular anchor plates has been evaluated in physical model tests and numerical simulation using Plaxis. The behavior of circular anchor plates during uplift test was studied by experimental data and finite element analyses in loose sand. Validation of the analysis model was also carried out with 50 mm, 75 mm and 100 mm diameter of circular plates in loose sand. Agreement between the uplift responses from the physical model tests and finite element modeling using PLAXIS 2D, based on 100 mm computed maximum displacements was excellent for circular anchor plates. Numerical analysis using circular anchor plates was conducted based on hardening soil model (HSM). The research has showed that the finite element results gives higher than the experimental findings in the loose sand.
The rate of softening is an important factor to determine whether the failure occurs along localized shear band or in a more diffused manner. In this paper, strength loss and softening rate effect depending on sensitivity are investigated for weakly cemented clays, for both artificially cemented high plasticity San Francisco Bay Mud and low plasticity Yolo Loam. Destructuration and softening behavior for weakly cemented sensitive clays are demonstrated and discussed through multiple vane shear tests. Artificial sensitive clays are prepared in the laboratory for physical modeling or constitutive modeling using a small amount of cement (2 to 5%) with controlled initial water content and curing period. Through test results, shear band thickness is theoretically computed and the rate of softening is represented as a newly introduced parameter, ${\omega}_{80%}$. Consequently, it is found that the softening rate increases with sensitivity for weakly cemented sensitive clays. Increased softening rate represents faster strength loss to residual state and faster minimizing of shear band thickness. Uncemented clay has very low softening rate to 80% strength drop. Also, it is found that higher brittleness index ($I_b$) relatively shows faster softening rate. The result would be beneficial to study of physical modeling for sensitive clays in that artificially constructed high sensitivity (up to $S_t=23$) clay exhibits faster strain softening, which results in localized shear band failure once it is remolded.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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