In this study, in order to propose an efficient model to predict the torque capacity of steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams, the existing experimental data related to torsional response of beams is reviewed. It is observed that existing data neglects the effects of some parameters on the variation of torque capacity. Thus, an experimental research was also conducted to obtain the effects of neglected parameters. In the experimental study, a total of seventeen SFRC beams are tested against torsion. The parameters considered in the experiments are concrete compressive strength, steel fiber aspect ratio, volumetric ratio of steel fibers and longitudinal reinforcement ratio. The effect of each parameter is discussed in terms of torque versus unit angle of twist graphs. The data obtained from this experimental research is also combined with the data got from previous studies and employed in artificial neural network (ANN) analysis to estimate the ultimate torque capacity of SFRC beams. In addition to parameters considered in the experiments, aspect ratio of beam cross-section, yield strengths of both transverse and longitudinal reinforcements, and transverse reinforcement ratio are also defined as parameters in ANN analysis due to their significant effects observed in previous studies. Assessment of the accuracy of ANN analysis in estimating the ultimate torque capacity of SFRC beams is performed by comparing the analytical and experimental results. Comparisons are conducted in terms of root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE) and coefficient of efficiency ($E_f$). The results of this study revealed that addition of steel fibers increases the ultimate torque capacity of reinforced concrete beams. It is also found that ANN is a powerful method and a feasible tool to estimate ultimate torque capacity of both normal and high strength concrete beams within the range of input parameters considered.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.28
no.7
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pp.1222-1230
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2022
The rotor blade is an important component of a tidal stream turbine and is affected by a large thrust force and load due to the high density of seawater. Therefore, the performance must be secured through the geometrical and structural design of the blade and the blade structural safety to which the composite material is applied. In this study, a 1 MW class large turbine blade was designed using the blade element momentum (BEM) theory. GFRP is a fiber-reinforced plastic used for turbine blade materials. A sandwich structure was applied with CFRP to lay-up the blade cross-section. In addition, to evaluate structural safety according to flow variations, static load analysis within the linear elasticity range was performed using the fluid-structure interactive (FSI) method. Structural safety was evaluated by analyzing tip deflection, strain, and failure index of the blade due to bending moment. As a result, Model-B was able to reduce blade tip deflection and weight. In addition, safety could be secured by indicating that the failure index, inverse reserve factor (IRF), was 1 or less in all load ranges excluding 3.0*Vr of Model-A. In the future, structural safety will be evaluated by applying various failure theories and redesigning the laminated pattern as well as the change of blade material.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.5
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pp.77-85
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2020
In this study, the seismic fragility curve according to the boundary conditions is created for a two-pylon concrete cable-stayed bridge, and the effect of the boundary conditions on the seismic fragility of the target bridge is evaluated. An analysis model for the target bridge is constructed using Midas Civil, and a nonlinear time history analysis is performed by applying the fiber element, concrete and rebar material models. The boundary conditions between the pylon and the stiffened girder are classified into four types: rigid, unconstrained, pot bearing, and seismic isolation bearing, and the seismic fragility curves are created for each boundary condition. The plastic hinge section of the pylon, the connection part, and the cable are selected as weak members, and the earthquake vulnerability curve is created for them. As a result of the analysis, it is found that the seismic isolation bearing model shows the lowest damage probability in the pylon and the connection part, and the seismic fragility of the cable is less affected by the boundary conditions than other members.
In the previous studies, the authors proposed the use of laminated veneer lumber - carbon fiber reinforced polymer (LVL-CFRP) composite beams for structural application. Bond strength of the LVL-to-CFRP interface and flexural strengthening schemes to increase the bending capacity subjected to positive and negative moment were discussed in the previous works. In this article, theoretical models are proposed to predict the moment capacity when the LVL-CFRP beams are subjected to negative moment. Two common failure modes - CFRP fracture and debonding of CFRP are considered. The non-linear model proposed for positive moment is modified for negative moment to determine the section moment capacity. For the debonding based failure, previously developed bond strength model for CFRP-to-LVL interface is implemented. The theoretical models are validated against the experimental results and then use to determine the moment-rotation behaviour and rotational rigidity to compare the efficacy of various strengthening techniques. It is found that combined use of bi- and uni-directional CFRP U-wrap at the joint performs well in terms of both moment capacity and rotational rigidity.
Yun, Hyun-Do;Hwang, Jin-Ha;Kim, Mee-Yeon;Choi, Seung-Ho;Park, Wan-Shin;Kim, Kang Su
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.3
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pp.389-399
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2020
An infill wall made of high-performance fiber-reinforced cementitious composites (HPFRCC) was utilized in this study to strengthen the reinforced concrete (RC) frame structures that had not been designed for seismic loads. The seismic performance of the RC frame structures strengthened by the HPFRCC infill walls was investigated through the experimental tests, and the test results showed that they have improved strength and deformation capabilities compared to that strengthened by the RC infill wall. A simple numerical modeling method, called the modified longitudinal and diagonal line element model (LDLEM), was introduced to consider the seismic strengthening effect of the infill walls, in which a section aggregator approach was also utilized to reflect the effect of shear in the column members of the RC frames. The proposed model showed accurate estimations on the strength, stiffness, and failure modes of the test specimens strengthened by the infill walls with and without fibers.
This paper presents results of a non-linear finite element analysis of axially loaded slender hollow structural section (HSS) columns, strengthened using high modulus carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) longitudinal sheets. The model was developed and verified against both experimental and other analytical models. Both geometric and material nonlinearities, which are attributed to the column's initial imperfection and plasticity of steel, respectively, are accounted for. Residual stresses have also been modeled. The axial strength in the experimental study was found to be highly dependent on the column's imperfection. Consequently, no specific correlation was established experimentally between strength gain and amount of CFRP. The model predicted the ultimate loads and failure modes quite reasonably and was used to isolate the effects of CFRP strengthening from the columns' imperfections. It was then used in a parametric study to examine columns of different slenderness ratios, imperfections, number of CFRP layers, and level of residual stresses. The study demonstrated the effectiveness of high modulus CFRP in increasing stiffness and strength of slender columns. While the columns' imperfections affect their actual strengths before and after strengthening,the percentage gain in strength is highly dependent on slenderness ratio and CFRP reinforcement ratio, rather than the value of imperfection.
Steel frames are widely used in steel structures. Exiting steel structures may be needed to strengthen for various reasons. Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) is one of the materials that are used to strengthen steel structures. Most studies on strengthening steel structures have been done on beams and steel columns. No independent study, to the researcher's knowledge, has studied the effect of CFRP strengthening on steel frames. This study explored the use of CFRP composite on retrofitting square hollow section (SHS) steel frames, using numerical investigations. Ten Finite Element (FE) models, which were strengthened with CFRP sheets, were analyzed under different coverage length, number of layers, and location of CFRP composite. One FE model without strengthening was analyzed as a control FE model to determine the increase of the ultimate load in the strengthened steel frames. ANSYS software was used to analyze the SHS steel frames. The results showed that the coverage length and the number of layers of CFRP composite have a significant effect on increasing the ultimate load of the SHS steel frames. The results also showed that the location of CFRP composite had no similar effect on increasing the ultimate load and the amount of mid span deflection of the SHS steel frames.
The objectives of this study are to discriminate the geographical origin and cultivation years of ginseng based on the near-infrared(NIR) reflectance spectroscopic analysis. Korea and China ginseng samples were prepared for discrimination of geographical origin. 4, 5 and 6 years-old ginseng samples from Korea were prepared for discrimination of cultivation years. Used spectrometer were InfraAlyzer 500, InfraAlyzer 400 and Fiber optic. Sample type of ginseng was 3, whole ginseng radix, slide section and powder type. The accuracy was affected by sample types and instruments. The accuracy for discrimination geographical origin was 97% in calibration model using IA 500 and ginseng powder. For discrimination of cultivation years, the model with slide selection using IA500 were relative accurate. The accuracy was 96.7% for 4-year, 91.3% for 5-year and 89.3% for 6-year old ginseng. The study shows that NIR spectroscopic analysis can be used to discriminate the geographical origin and cultivation years of ginseng with acceptable accuracy.
Aghaei, Manizheh;Forouzan, Mohammad R.;Nikforouz, Mehdi;Shahabi, Elham
Steel and Composite Structures
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v.18
no.5
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pp.1291-1303
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2015
Damage caused by low velocity impact is so dangerous in composites because although in most cases it is not visible to the eye, it can greatly reduce the strength of the composite material. In this paper, damage development in U-section glass/polyester pultruded beams subjected to low velocity impact was considered. Different failure criteria such as Maximum stress, Maximum strain, Hou, Hashin and the combination of Maximum strain criteria for fiber failure and Hou criteria for matrix failure were programmed and implemented in ABAQUS software via a user subroutine VUMAT. A suitable degradation model was also considered for reducing material constants due to damage. Experimental tests, which performed to validate numerical results, showed that Hashin and Hou failure criteria have better accuracy in predicting force-time history than the other three criteria. However, maximum stress and Hashin failure criteria had the best prediction for damage area, in comparison with the other three criteria. Finally in order to compare numerical model with the experimental results in terms of extent of damage, bending test was performed after impact and the behavior of the beam was considered.
This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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