Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.3
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pp.376-385
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1987
In this study, the plane stress fracture toughness and Tearing modulus are investigated for various crack ratios using the J integral. To evaluate the J integral and Tearing modulus, both experiments and estimation are used. The thickness of the low carbon steel specimens that is used in the experiments is 3mm. The type of specimen that is considered in the study is center-cracked-tension one. The measurements of crack length are performed by unloading compliance method. In the estimation of crack parameters such as the J integral and load line displacement, the Ramberg and Osgood stress strain law is assumed. Then simple formulas are given for estimating the crack parameters from contained yielding to fully plastic solutions. Obtained results are as follows; (1) When the crack ratio is in the range of 0.500 - 0.701, the plane stress fracture toughness is almost constant regardless of crack ratios. (2) The fracture toughness (J$\_$c/) and Tearing modulus (T) obtained are J$\_$c/=28.51kgf/mm, T=677.7 for base metal, J$\_$c/=31.85kgf/mm, T=742.0 for annealed metal. (3) Simpson's and McCabe's formulas which consider crack growth in estimating J integral are shown more conservative J and lower T than Rice's and Sumpter's. (4) Comparison of the prediction with the actual experimental measurements by Simpson's formula shows good agreement.
In order to investigate mechanics of mixtures composed of sand and non-plastic silt, various specimens, with sand dominating the soil structure, and with varying fines content, fines content varying were produced. Isotropic consolidation tests were performed using high pressure triaxial test apparatus within high pressure levels where sand grain crushing happened. Experimental results showed that compressive curve of sand after yielding contracts to the NCL due to breakage of sand grains. Moreover, with the increase of fines content, coarse grains are surrounded by fines to form cushion effect, which made the breakage of coarse grains become difficult. Therefore, the maximum inclination of compressive curve became flatter and yield stress increased.
Kim, Young-Suk;Cho, Jun-Haeng;Do, Van-Cuong;Shin, Dong-Woo
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.16
no.2
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pp.921-926
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2015
Embossed aluminum sheets were been used in heat insulation purpose for automative exhaust parts because of increasing their surface areas and stiffness reinforcement. However, there are many restrictions because of high rate of wrinkle occurrence on press working. We have performed the tensile and bending tests for embossed sheets to clarity its mechanical properties and springback characteristics. Embossed aluminum sheets showed a different flow stress after plastic yielding due to flattening the embossed cone shape. Above all, yield stress of parallel embossed specimen decreases while its diagonal one increases and the decrease of young's modulus in the embossed sheets contributes to the increase of springback amount.
In this study, Ti powders were fabricated from Ti scrap by the Hydrogenation-Dehydrogenation (HDH) method. The Ti powders were prepared from the spark plasma sintering (SPS) and their microstructure was investigated. Hydrogenation reactions of Ti scrap occurred at near $450^{\circ}C$ with a sudden increase in the reaction temperature and the decreasing pressure of hydrogen gas during the hydrogenation process in the furnace. The dehydrogenation process was also carried out at $750^{\circ}C$ for 2 hrs in a vacuum of $10^{-4}$ torr. After the HDH process, deoxidation treatment was carried out with the Ca (purity: 99.5%) at $700^{\circ}C$ for 2 hrs in the vacuum system. It was found that the oxidation content of Ti powder that was deoxidized with Ca showed noticeably lower values, compared to the content obtained by the HDH process. In order to fabricate the Ti compacts, Ti powder was sintered under an applied uniaxial punch pressure of 40 MPa in the range of $900-1200^{\circ}C$ for 5 min under a vacuum of $10^{-4}$ torr. The relative density of the compact was 99.5% at $1100^{\circ}C$ and the tensile strength decreased with increasing sintering temperature. After sintering, all of the Ti compacts showed brittle fracture behavior, which occurred in an elastic range with short plastic yielding up to a peak stress. Ti improved the corrosion resistance of the Ti compacts, and the Pd powders were mixed with the HDH Ti powders.
Kim, Chul Goo;Park, Hong Gun;Eom, Tae Sung;Kim, Tae Wan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.4
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pp.195-205
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2015
Various non-seismic tie details are frequently used for one- and two-story small buildings because the seismic demand on their deformation capacities is not relatively significant. To evaluate the effects of the non-seismic tie details on the seismic performance of reinforced concrete columns, six square columns with a cross section of $400{\times}400mm$ and six rectangular columns with a cross section of $250{\times}640mm$ were tested. The anchorage details at both ends and spacing of tie hoops, along with the cross-sectional shape and the magnitude of axial load, were considered as the primary test parameters. Test results showed that square columns had higher stiffness and lower lateral deformation rather than rectangular columns. Both lap spliced tie and U-shaped tie provided comparable or improved seismic performance to $90^{\circ}$ hook tie in terms of maximum strength, ductility, and energy dissipation. The predicted curves with modeling parameters in ASCE41-13 were conservative for test results of lap spliced tie and U-shaped tie specimens since plastic behavior after flexural yielding could not be considered. For economical design, ASCE41-13 should be revised with various test results of tie details.
In this research, the behavior of tube-in-tube BRBs (TiTBRBs) has been investigated. In a typical TiTBRB, the yielding core tube is located inside the outer restraining one to dissipate energy through extensive plastic deformation, while the outer restraining tube remains essentially elastic. With the aid of FE analyses, the monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been studied as individual brace elements. Subsequently, a detailed finite element model of a representative single span-single story frame equipped with such a TiTBRB has been constructed and both monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been explored under the application of the AISC loading protocol at the braced frame level. With the aid of backbone curves derived from the FE analyses, a simplified frame model has been developed and verified through comparison with the results of the detailed FE model. It has been shown that, the simplified model is capable of predicting closely the cyclic behavior of the TiTBRB frame and hence can be used for design purposes. Considering type of connection detail used in a frame, the TiTBRB member which behave satisfactorily at the brace element level under cyclic loading conditions, may suffer global buckling due to the flexural demand exerted from the frame to the brace member at its ends. The proposed TiTBRB suit tubular members of offshore structures and the application of such TiTBRB in a typical offshore platform has been introduced and studied in a single frame level using detailed FE model.
Zhang, Wenfu;Gardner, Leroy;Wadee, M. Ahmer;Zhang, Minghao
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1440-1463
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2018
The Wagner coefficient is a key parameter used to describe the inelastic lateral-torsional buckling (LTB) behaviour of the I-beam, since even for a doubly-symmetric I-section with residual stress, it becomes a monosymmetric I-section due to the characteristics of the non-symmetrical distribution of plastic regions. However, so far no theoretical derivation on the energy equation and Wagner's coefficient have been presented due to the limitation of Vlasov's buckling theory. In order to simplify the nonlinear analysis and calculation, this paper presents a simplified mechanical model and an analytical solution for doubly-symmetric I-beams under pure bending, in which residual stresses and yielding are taken into account. According to the plate-beam theory proposed by the lead author, the energy equation for the inelastic LTB of an I-beam is derived in detail, using only the Euler-Bernoulli beam model and the Kirchhoff-plate model. In this derivation, the concept of the instantaneous shear centre is used and its position can be determined naturally by the condition that the coefficient of the cross-term in the strain energy should be zero; formulae for both the critical moment and the corresponding critical beam length are proposed based upon the analytical buckling equation. An analytical formula of the Wagner coefficient is obtained and the validity of Wagner hypothesis is reconfirmed. Finally, the accuracy of the analytical solution is verified by a FEM solution based upon a bi-modulus model of I-beams. It is found that the critical moments given by the analytical solution almost is identical to those given by Trahair's formulae, and hence the analytical solution can be used as a benchmark to verify the results obtained by other numerical algorithms for inelastic LTB behaviour.
Concrete-filled steel tubes (CFSTs) are increasingly used as composite sections in structures owing to their excellent load bearing capacity. Therefore, predicting the mechanical behavior of CFST sections under axial compression loading is vital for design purposes. This paper presents the first study on the nonlinear analysis of heated CFSTs with high-strength concrete core containing steel fiber and waste tire rubber under axial compression loading. CFSTs had steel fibers with 0, 1, and 1.5% volume fractions and 0, 5, and 10% rubber particles as sand alternative material. They were subjected to 20, 250, 500, and 750℃ temperatures. Using flow rule and analytical analysis, a model is developed to predict the load bearing capacity of steel tube, and hoop strain-axial strain relationship, and axial stress-volumetric strain relationship of CFSTs. An elastic-plastic analysis method is applied to determine the axial and hoop stresses of the steel tube, considering elastic, yield, and strain hardening stages of steel in its stress-strain curve. The axial stress in the concrete core is determined as the difference between the total experimental axial stress and the axial stress of steel tube obtained from modeling. The results show that steel tube in CFSTs under 750℃ exhibits a higher load bearing contribution compared to those under 20, 250, and 500℃. It is also found that the ratio of load bearing capacity of steel tube at peak point to the load bearing capacity of CFST at peak load is noticeable such that this ratio is in the ranges of 0.21-0.33 and 0.31-0.38 for the CFST specimens with a steel tube thickness of 2 and 3.5 mm, respectively. In addition, after the steel tube yielding, the load bearing capacity of the tube decreases due to the reduction of its axial stiffness and the increase of hoop strain rate, which is in the range of about 20 to 40%.
One of the important causes of building and infrastructure failure, such as bridges on pile foundations, is the placement of the piles in liquefiable soil that can become unstable under seismic loads. Therefore, the overarching aim of this study is to investigate the seismic behavior of a soil-pile system in liquefiable soil using three-dimensional numerical FEM analysis, including soil-pile interaction. Effective parameters on concrete pile response, involving the pile diameter, pile length, soil type, and base acceleration, were considered in the framework of finite element non-linear dynamic analysis. The constitutive model of soil was considered as elasto-plastic kinematic-isotropic hardening. First, the finite element model was verified by comparing the variations on the pile response with the measured data from the centrifuge tests, and there was a strong agreement between the numerical and experimental results. Totally 64 non-linear time-history analyses were conducted, and the responses were investigated in terms of the lateral displacement of the pile, the effect of the base acceleration in the pile behavior, the bending moment distribution in the pile body, and the pore pressure. The numerical analysis results demonstrated that the relationship between the pile lateral displacement and the maximum base acceleration is non-linear. Furthermore, increasing the pile diameter results in an increase in the passive pressure of the soil. Also, piles with small and big diameters are subjected to yielding under bending and shear states, respectively. It is concluded that an effective stress-based ground response analysis should be conducted when there is a liquefaction condition in order to determine the maximum bending moment and shear force generated within the pile.
This paper presents an analytical approach to calculate the buckling load of the cylindrical ring structures subjected to both hydrostatic and hydrodynamic pressures. Based on the conservative law of energy and Timoshenko beam theory, a theoretical formula, which can be used to evaluate the critical pressure of buckling, is first derived for the simplified cylindrical ring structures. It is assumed that the hydrodynamic pressure can be treated as an equivalent hydrostatic pressure as a cosine function along the perimeter while the thickness ratio is limited to 0.2. Note that this paper limits the deformed shape of the cylindrical ring structures to an elliptical shape. The proposed analytical solutions are then compared with the numerical simulations. The critical pressure is evaluated in this study considering two possible failure modes: ultimate failure and buckling failure. The results show that the proposed analytical solutions can correctly predict the critical pressure for both failure modes. However, it is not recommended to be used when the hydrostatic pressure is low or medium (less than 80% of the critical pressure) as the analytical solutions underestimate the critical pressure especially when the ultimate failure mode occurs. This implies that the proposed solutions can still be used properly when the subsea vehicles are located in the deep parts of the ocean where the hydrostatic pressure is high. The finding will further help improve the geometric design of subsea vehicles against both hydrostatic and hydrodynamic pressures to enhance its strength and stability when it moves underwater. It will also help to control the speed of the subsea vehicles especially they move close to the sea bottom to prevent a catastrophic failure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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