The objective of seismic resilience is to maintain or rapidly restore the function of a building after an earthquake. An efficient tilt mechanism at the member level is crucial for the restoration of the main structure function; however, the damage resistance of the members should be the main focus. In this study, through a comparison with the classical Flamant theory of local loading in the elastic half-space, an elastomechanical solution for the axial-stress distribution of a reinforced-concrete (RC) rocking column was derived. Furthermore, assuming that the lateral displacement of the rocking column is determined by the contact surface rotation angle of the column end and bending and shear deformation of the column body, the load-lateral displacement mechanical model of the RC rocking column was established and validated through a comparison with finite-element simulation results. The axial-compression ratio and column-end strength were analyzed, and the results indicated that on the premise of column damage resistance, simply increasing the axial-compression ratio increases the lateral loading capacity of the column but is ineffective for improving the lateral-displacement capacity. The lateral loading and displacement of the column are significantly improved as the strength of the column end material increases. Therefore, it is feasible to improve the working performance of RC rocking columns via local reinforcement of the column end.
Earth fissures with several kilometers will inevitably approach or cross the metro line, significantly threatening the safety of the underground structure in the earth fissure site. However, the influence of the earth fissure site's amplification effect on the metro station's dynamic response is still unclear. A representative earth fissure in Xi'an was taken as an example to establish a numerical model of a metro station in the earth fissure site. The dynamic response characteristics of the metro stations at different distances from the earth fissure under various seismic waves were calculated. The results show that the existence of the earth fissure significantly amplifies the dynamic response of the nearby underground structures. The responses of the axial force, shear force, bending moment, normal stress, horizontal displacement, inter-story drift, and relative slip of the metro station were all amplified within a specific influence range. The amplification effect increases with the seismic wave intensity. The amplification effect caused by the earth fissure has relatively weak impacts on the axial shear, shear force, bending movement, normal stress, and horizontal movement; slightly larger impacts on the inter-story drift and acceleration; and a significant impact on the relative slip. The influence ranges of the axial force and normal stress are approximately 20 m. The influence ranges of the acceleration and inter-story drift can reach 30 m. Therefore, the seismic fortification level of the underground structure in the earth fissure site needs to be improved.
Concrete pipes are considered important structures playing integral role in spread of cities besides transportation of gas as well as oil for far distances. Further, concrete structures under seismic load, show behaviors which require to be investigated and improved. Therefore, present research concerns dynamic stress and strain alongside deflection assessment of a concrete pipe carrying water-based nanofluid subjected to seismic loads. This pipe placed in soil is modeled through spring as well as damper. Navier-Stokes equation is utilized in order to gain force created via fluid and, moreover, mixture rule is applied to regard the influences related to nanoparticles. So as to model the structure mathematically, higher order refined shear deformation theory is exercised and with respect to energy method, the motion equations are obtained eventually. The obtained motion equations will be solved with Galerkin and Newmark procedures and consequently, the concrete pipe's dynamic stress, strain as well as deflection can be evaluated. Further, various parameters containing volume percent of nanoparticles, internal fluid, soil foundation, damping and length to diameter proportion of the pipe and their influences upon dynamic stress and strain besides displacement will be analyzed. According to conclusions, increase in volume percent of nanoparticles leads to decrease in dynamic stress, strain as well as displacement of structure.
When an earth pressure balance (EPB) shield machine bores a tunnel in gravelly sand stratum, the excavated natural soil is normally transformed using foam and water to reduce cutter wear and the risk of direct muck squeezing out of the screw conveyor (i.e., muck spewing). Understanding the undrained shear behavior of conditioned soils under pressure is a potential perspective for optimizing the earth pressure balance shield tunnelling strategies. Owing to the unconventional properties of conditioned soil, a pressurized vane shear apparatus was utilized to investigate the undrained shear behavior of foam-conditioned gravelly sands under normal pressure. The results showed that the shear stress-displacement curves exhibited strain-softening behavior only when the initial void ratio (e0) of the foam-conditioned sand was less than the maximum void ratio (emax) of the unconditioned sand. The peak and residual strength increased with an increase in normal pressure and a decrease in foam injection ratio. A unique relation between the void ratio and the shear strength in the residual stage was observed in the e-ln(τ) space. When e0 was greater than emax, the fluid-like specimens had quite low strengths. Besides, the stick-slip behavior, characterized by the variation coefficient of measured shear stress in the residual stage, was more evident under lower pressure but it appeared to be independent of the foam injection. A comparison between the results of pressurized vane shear tests and those of slump tests indicated that the slump test has its limitations to characterize the chamber muck fluidity and build the optimal conditioning parameters.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.11
no.3
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pp.303-314
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2009
Image analyses for sheared joint specimens are performed to study asperity degradation characteristics with respect to the roughness mobilization of rock joints. Four different types of joint specimens, which are made of high-strength gypsum materials, are prepared by replicating the three-dimensional roughness of rock joints. About twenty jointed rock shear tests are performed at various normal stress levels. The characteristic and scale of asperity degradation on the sheared joint specimens are analyzed using the digital image analysis technique. The results show that the asperity degradation characteristic mainly depends on the normal stress level and can be defined by asperity failure and wear. The asperity degradation develops significantly around the peak shear displacement and the average amount of degraded asperities remains constant with further displacement because of new degradation of small scale asperities. The shear strength results using high-strength gypsum materials can not fully represent physical properties of each mineral particles of asperities on the natural rock joint surface. However the results of this quantitative estimation for the relationship between the peak shear displacement and the asperity degradation suggest that the characterization of asperity degradation provides an important insight into mechanical characteristics and shear models of rock joints.
The thermomechanical bending response of anti-symmetric cross-ply composite plates is investigated by the use of the simple four variable sinusoidal plate theory. The theory accounts for sinusoidal distribution of transverse shear stress, and satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. By dividing the transverse displacement into bending and shear parts, the number of unknowns and governing equations for the present theory is reduced, significantly facilitating engineering analysis. The validity of the present theory is demonstrated by comparison with solutions available in the literature. Numerical results are presented to demonstrate the behavior of the system. The influences of aspect ratio, side-to-thickness ratio, thermal expansion coefficients ratio and stacking sequence on the thermally induced response are studied. The present study is relevant to aerospace, chemical process and nuclear engineering structures which may be subjected to intense thermal loads.
The eight-node 3D solid element is one of the most extensively used elements in computational mechanics. This is due to its simple shape and easy of discretization. However, due to the parasitic shear locking, it should not be used to simulate the behaviour of structural members in bending dominant conditions. Previous researches have indicated that the introduction of incompatible mode into the displacement field of the solid element could significantly reduce the shear locking phenomenon. In this study, an incompatible mode eight-node solid element, which considers both geometric and material nonlinearities, is developed for modelling of structural members at elevated temperatures. An algorithm is developed to extend the state determination procedure at ambient temperature to elevated temperatures overcoming initially converged stress locking when the external load is kept constant. Numerical studies show that this incompatible element is superior in terms of convergence, mesh insensitivity and reducing shear locking. It is also showed that the solid element model developed in this paper can be used to model structural behaviour at both ambient and elevated temperatures.
This paper presents an investigation on seismic behavior of out-of-code Q690 circular high-strength concrete-filled thin-walled steel tubular (HCFTST) columns made up of high-strength (HS) steel tubes (yield strength $f_y{\geq}690MPa$). Eight Q690 circular HCFTST columns with various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cylinder compressive strengths ($f_c$) and axial compression ratios (n) were tested under the constant axial loading and reversed cyclic lateral loading. The obtained lateral load-displacement hysteretic curves, energy dissipation, skeleton curves and ductility, and stiffness degradation were analyzed in detail to reflect the influences of tested parameters. Subsequently, a simplified shear strength model was derived and validated by the test results. Finally, a finite element analysis (FEA) model incorporating a stress triaxiality dependent fracture criterion was established to simulate the seismic behavior. The systematic investigation indicates the following: compared to the D/t ratio and axial compression ratio, improving the concrete compressive strength (e.g., the HS thin-walled steel tube filled with HS concrete) had a slight influence on the ductility but an obvious enhancement of energy dissipation and peak load; the simplified shear strength model based on truss mechanism accurately predicted the shear-resisting capacity; and the established FEA model incorporating steel fracture criterion simulated well the seismic behavior (e.g., hysteretic curve, local buckling and fracture), which can be applied to the seismic analysis and design of Q690 circular HCFTST columns.
Several in-situ testing methods of adhesively bonded joints under static short-time tensile loading are critically analyzed in terms of experimental procedure and data evaluation. Due to its rather homogeneous stress state across the glue line, the tensile-shear test with thick single-lap specimens, according to ISO 11003-2, has become the most important test process for the determination of realistic materials parameters. This basic method, which was improved in both, the experimental part by stepped adherends and easily attachable extensometers and the evaluation procedure by numeric substrate deformation correction and test simulation based on the finite element method (FEM), is therefore demonstrated by application to several kinds of adhesives and metallic adherends. Multi-axial load decreases the strength of a joint. This effect, which is illustrated by an experimental comparison, impedes the derivation of realistic mechanical characteristics from measured force-displacement curves. It is shown by numeric modeling that tensile-shear tests with thin plate substrates according to ISO 4587, which are widely used for quick industrial quality assurance, reveal an inhomogeneous stress state, especially because of relatively large adherend deformation. Complete experimental determination of the elastic properties of bonded joints requires independent measurement of at least two characteristics. As the thick-adherend tensile-shear test directly yields the shear modulus, the tensile butt-joint test according to ISO 6922 represents the most obvious complement of the test programme. Thus, validity of analytical correction formulae proposed in literature for the derivation of realistic materials characteristics is verified by numeric simulation. Moreover, the influence of the substrate deformation is examined and a FEM correction method introduced.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.20
no.6
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pp.745-750
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2011
A jig vise is a device to clamp workpiece precisely, which is widely used for various machine tools and manufacturing purpose. A new elastic structured jaw-wedge of jig vise is developed, in this paper, so as to satisfy the clamping requirement and the suppression effect of upright movement of workpiece. The advanced design parameters of jaw-wedge are derived step by step considering the stress distribution and the displacement profiles of ANSYS analysis, and it could find the optimum model which shows the uniform displacement profiles and exhibits the non-concentrated stress distribution of jaw neck. As a result, it is ascertained that an jaw-wedge developed in this study is the simple elastic structure which is effective for automatic multiple clamping purpose without the danger of shear crack or bucking of jaw.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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