KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.8
no.2
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pp.155-166
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1988
An "equivalent homogeneous, orthotropic" model that includes edge effects and an accompanying finite element analysis is presented for elastomeric bearings. The model is developed for two-dimensional configurations with horizontal layers, and for linear, elastic, small deformation conditions. The equivalent homogeneous theory, in addition to capturing the overall response characteristics of the layered elastomeric bearing system, approximately models the important edge effects, which occur at and near boundaries that cut the layers, and the stress concentrations at layer interfaces. The primary dependent variables for the theory have been selected such that the highest derivatives appearing in the strain energy function are first-order, thus requiring only $C_0$ continuity of the finite element approximations. As a result, the finite element analysis is simple and computationally efficient. Numerical examples are presented to verify the theory and to illustrate potential applications of the analysis.
Rare-earth barium copper oxide (REBCO) coated conductor (CC) tapes have already been commercialized but still possess some issues in terms of manufacturing cost, anisotropic in-field performance, $I_c$ response to mechanical loads such as delamination, homogeneity of current transport property, and production length. Development on improving its performance properties to meet the needs in practical device applications is underway and simplification of the tape's architecture and manufacturing process are also being considered to enhance the performance-cost ratio. As compared to low temperature superconductors (LTS), high temperature superconductor (HTS) REBCO CC tapes provide a much wider range of operating temperature and a higher critical current density at 4.2 K making it more attractive in magnet and coil applications. The superior properties of the REBCO CC tapes under magnetic field have led to the development of superconducting magnets capable of producing field way above 23.5 T. In order to achieve its optimum performance, the electromechanical properties under different deformation modes and magnetic field should be evaluated for practical device design. This paper gives an overview of the effects of mechanical stress/strain on $I_c$ in HTS CC tapes due to uniaxial tension, bending deformation, transverse load, and including the electrical performance of a CC tape joint which were performed by our group at ANU in the last decade.
The effects of reinforcement on the horizontal and vertical deformations of geosynthetic reinforced retaining walls are investigated under a well-known seismic load (San Jose earthquake, 1955). Retaining walls are designed with internal and external stability (with appropriate factor of safety) and deformation is chosen as the main parameter for describing the wall behavior under seismic load. Retaining walls with various heights (6, 8, 10, 12 and 14 meter) are optimized for geosynthetics arrangement, and modeled with a finite element method. The stress-strain behavior of the walls under a well-known loading type, which has been used by many previous researchers, is investigated. A comparison is made between the reinforced and non-reinforced systems to evaluate the effect of reinforcement on decreasing the deformation of the retaining walls. The results show that the reinforcement system significantly controls the deformation of the top and middle of the retaining walls, which are the critical points under dynamic loading. It is shown that the optimized reinforcement system in retaining walls under the studied seismic loading could decrease horizontal and vertical deformation up to 90% and 40% respectively.
The investigation of corrosion effects on the tensile behavior of reinforced concrete (RC) members is very important in region prone to high corrosion conditions. In this article, an experimental study concerning corrosion effects on tensile behavior of RC members is presented. For this purpose, a comprehensive experimental program including 58 cylindrical reinforced concrete specimens under various levels of corrosion is conducted. Some of the specimens (44) are located in large tub containing water and salt (5% salt solution); an electrical supplier has been utilized for the accelerated corrosion program. Afterwards, the tensile behavior of the specimens was studied by means of the direct tension tests. For each specimen, the tension stiffening curve is plotted, and their behavior at various load levels is investigated. Average crack spacing, loss of cross-section area due to corrosion, the concrete contribution to the tensile response for different strain levels, and maximum bond stress developed at each corrosion level are studied, and their appropriate relationships are proposed. The main parameters considered in this investigation are: degree of corrosion ($C_w$), reinforcement diameter (d), reinforcement ratio (${\rho}$), clear concrete cover (c), ratio of clear concrete cover to rebar diameter (c/d), and ratio of rebar diameter to reinforcement percentage ($d/{\rho}$).
A new sort of learning algorithm named whole learning algorithm is proposed to simulate the nonlinear and dynamic behavior of RC members for the estimation of structural integrity. A mathematical technique to solve the multi-objective optimization problem is applied for the learning of the feedforward neural network, which is formulated so as to minimize the Euclidean norm of the error vector defined as the difference between the outputs and the target values for all the learning data sets. The change of the outputs is approximated in the first-order with respect to the amount of weight modification of the network. The governing equation for weight modification to make the error vector null is constituted with the consideration of the approximated outputs for all the learning data sets. The solution is neatly determined by means of the Moore-Penrose generalized inverse after summarization of the governing equation into the linear simultaneous equations with a rectangular matrix of coefficients. The learning efficiency of the proposed algorithm from the viewpoint of computational cost is verified in three types of problems to learn the truth table for exclusive or, the stress-strain relationship described by the Ramberg-Osgood model and the nonlinear and dynamic behavior of RC members observed under an earthquake.
Cracked reinforced concrete in compression has been observed to exhibit lower strength and stiffness than uniaxially compressed concrete. The so-called compression softening effect responsible is thought to be related to the degree of transverse cracking and straining present. It significantly affects the strength, ductility and load-deformation response of a concrete element. A number of experimental investigations have been undertaken to determine the degree of softening that occurs, and the factors that affect it. At the same time, a number of diverse analytical models have been proposed by various this behavior. In this paper, the softened truss model thoery for low-rise structural shearwalls is employed using the principle of the stress and strain transformations. Using this theory the softening parameters for the concrete struts proposed by Hsu and Belarbi as well as by Vecchio and Collins are examined by 51 test shearwalls available in literature. It is found that the experimental shear strengths and ductilities of the walls under static loads are, in average, very close to the theoretical values; however, the experiment shear strengths and ductilities of the walls under dynamic loads with a low (0.2 Hz) frequency are generally less than the theoretical values.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.29
no.5
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pp.13-18
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2015
In this paper, we implemented a polarimetric vibration sensor using a Sagnac birefringence interferometer composed of polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF). By changing the amplitude and frequency of vibration applied to PM-PCF employed as the sensor head of the proposed sensor, sensor responses to various types of vibration were investigated. First, the vibration characteristic of the sensor was explored for a single frequency in a frequency range from 1 to 3000Hz with a cylindrical piezoelectric transducer, and then the sensor response to naturally damped vibration was examined by utilizing a metal cantilever. It was experimentally observed that the sensor output signal was deteriorated by more than 3dB at ~1900Hz in the single frequency vibration measurement with a minimum detectable strain perturbation of ${\sim}1.34n{\varepsilon}/Hz^{1/2}$ at 1500Hz and the peak value of the sensor output signal was proportional to the strength of initially applied stress in the naturally damped vibration measurement.
A three-dimensional formulation is proposed to analyze the lateral loading distribution of external actions in high-rise buildings. The method is extended to encompass any combination of bracings, including bracings with open thin-walled cross-sections, which are analyzed in the framework of Timoshenko-Vlasov's theory of sectorial areas. More in detail, the proposed unified approach is a tool for the preliminary stages of structural design. It considers infinitely rigid floors in their own planes, and allows to better understand stress and strain distributions in the different bearing elements if compared to a finite element analysis. Numerical examples, describing the structural response of tall buildings characterized by bracings with different cross-section and height, show the effectiveness and flexibility of the proposed method. The accuracy of the results is investigated by a comparison with finite element solutions, in which the bracings are modelled as three-dimensional structures by means of shell elements.
This paper aims at investigating the capability of different FRP/concrete interface models to predict the effect of carbon nanotubes on the flexural behavior of RC beams strengthened with CFRP. Three different interfacial bond models are proposed to simulate the adhesion between CFRP composites and concrete, namely: full bond, nonlinear spring element, and cohesive zone model. 3D Nonlinear finite element model is developed then validated using experimental work conducted by the authors in a previous investigation. Cohesive zone model (CZM) has the best agreement with the experimental results in terms of load-deflection response. CZM is the only bond model that accurately predicted the cracks patterns and failure mode of the strengthened RC beams. The FE model is then expanded to predict the effect of bond strength on the flexural capacity of RC beams strengthened with externally bonded CNTs modified CFRP composites using CZM bond model. The results reveal that the flexural capacity of the strengthened beams increases with increasing the bond strength value. However, only 23% and 22% of the CFRP stress and strain capacity; in the case of full bond; can be utilized before failure.
In this article, frequency characteristics, and sensitivity analysis of a size-dependent laminated composite cylindrical nanoshell under bi-directional thermal loading using Nonlocal Strain-stress Gradient Theory (NSGT) are presented. The governing equations of the laminated composite cylindrical nanoshell in thermal environment are developed using Hamilton's principle. The thermodynamic equations of the laminated cylindrical nanoshell are obtained using First-order Shear Deformation Theory (FSDT) and Fourier-expansion based Generalized Differential Quadrature element Method (FGDQM) is implemented to solve these equations and obtain natural frequency and critical temperature of the presented model. The novelty of the current study is to consider the effects of bi-directional temperature loading and sensitivity parameter on the critical temperature and frequency characteristics of the laminated composite nanostructure. Apart from semi-numerical solution, a finite element model was presented using the finite element package to simulate the response of the laminated cylindrical shell. The results created from finite element simulation illustrates a close agreement with the semi-numerical method results. Finally, the influences of temperature difference, ply angle, length scale and nonlocal parameters on the critical temperature, sensitivity, and frequency of the laminated composite nanostructure are investigated, in details.
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