A good grasp of the failure mechanisms of resistance spot weld, widely used in joining the auto-panels, in essential to the structural/crashworthy analyses and integrity assessment of the whole auto-body. In this study, We provide an estimative model describing the failure behavior of resistance spotf weld, and apply the model to the finite element analysis of crashworthiness. First, in "Part 1-Failure Criteria", to be used for the finite element analysis of spot-welded structural panels of an auto-body, (i) a methodology for quantifying the spot weld failure and the accompanying failure criteria are presented, and (ii) the coefficients of the failure equation are determined by a munimum number of appropriate experimental tests. To achieve these, we derive the functional form of the failure envelop by limit analysis, and correlate it with the form in PAM-$CRASH^{TM}$ code, and also investigate the effect of the failure coefficients on the failure envelop form. An estimative model obtained in this Part1, as spot weld failure criteria is applied to the Macroscopic finite element analysis of autobody structural panels using PAM-$CRASH^{TM}$ code in Part 2.
The fatigue-induced sequential failure of a structure having structural redundancy requires system-level analysis to account for stress redistribution. System reliability-based design optimization (SRBDO) for preventing fatigue-initiated structural failure is numerically costly owing to the inclusion of probabilistic constraints. This study incorporates the Branch-and-Bound method employing system reliability Bounds (termed the B3 method), a failure-path structural system reliability analysis approach, with a metaheuristic optimization algorithm, namely grey wolf optimization (GWO), to obtain the optimal design of structures under fatigue-induced system failure. To further improve the efficiency of this new optimization framework, an additional bounding rule is proposed in the context of SRBDO against fatigue using the B3 method. To demonstrate the proposed method, it is applied to complex problems, a multilayer Daniels system and a three-dimensional tripod jacket structure. The system failure probability of the optimal design is confirmed to be below the target threshold and verified using Monte Carlo simulation. At earlier stages of the optimization, a smaller number of limit-state function evaluation is required, which increases the efficiency. In addition, the proposed method can allocate limited materials throughout the structure optimally so that the optimally-designed structure has a relatively large number of failure paths with similar failure probability.
The initiation of toppling is explored for a uniform stack of blocks that rotates slowly about its mid-base. As the stack passes through its vertical position ($\theta$=0), it is in free-fall rotation, and a critical inclination angle ${\theta}_c$ is reached at which the toppling stack "fails" or begins to crack or separate. For tall stacks (high aspect ratios), two modes of failure are hypothesized, for which the dynamic failure analyses are shown to correlate with experimental results. These block failure modes are similar to those observed for tall, toppling masonry structures with weak binding material between their brick or stone blocks.
Buckling failure is a typical slope instability mode that should be paid more attention to. It is difficult to provide systematic guidance for the monitoring and management of such slopes due to unclear mechanism. Here we examine buckling failure as the potential instability mode for a slope above a railway tunnel in southwest China. A comprehensive model test system was developed that can be used to conduct buckling failure experiments. The displacement, stress, and strain of the slope were monitored to document the evolution of buckling failure during the experiment. Monitoring data reveal the deformation and stress characteristics of the slope with different slipping mass thicknesses and under different top loads. The test results show that the slipping mass is the main subject of the top load and is the key object of monitoring. Displacement and stress precede buckling failure, so maybe useful predictors of impending failure. However, the response of the stress variation is earlier than displacement variation during the failure process. It is also necessary to monitor the bedrock near the slip face because its stress evolution plays an important role in the early prediction of instability. The position near the slope foot is most prone to buckling failure, so it should be closely monitored.
Zhaoyang Fu;Li Tian;Xianchao Luo;Haiyang Pan;Juncai Liu;Chuncheng Liu
Earthquakes and Structures
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제26권4호
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pp.311-326
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2024
Transmission tower structures are particularly susceptible to damage and even collapse under strong seismic ground motions. Conventional seismic analyses of transmission towers are usually performed by considering only ground motion uncertainty while ignoring structural uncertainty; consequently, the performance evaluation and failure prediction may be inaccurate. In this context, the present study numerically investigates the seismic responses and failure mechanism of transmission towers by considering multiple sources of uncertainty. To this end, an existing transmission tower is chosen, and the corresponding three-dimensional finite element model is created in ABAQUS software. Sensitivity analysis is carried out to identify the relative importance of the uncertain parameters in the seismic responses of transmission towers. The numerical results indicate that the impacts of the structural damping ratio, elastic modulus and yield strength on the seismic responses of the transmission tower are relatively large. Subsequently, a set of 20 uncertainty models are established based on random samples of various parameter combinations generated by the Latin hypercube sampling (LHS) method. An uncertainty analysis is performed for these uncertainty models to clarify the impacts of uncertain structural factors on the seismic responses and failure mechanism (ultimate bearing capacity and failure path). The numerical results show that structural uncertainty has a significant influence on the seismic responses and failure mechanism of transmission towers; different possible failure paths exist for the uncertainty models, whereas only one exists for the deterministic model, and the ultimate bearing capacity of transmission towers is more sensitive to the variation in material parameters than that in geometrical parameters. This research is expected to provide an in-depth understanding of the influence of structural uncertainty on the seismic demand assessment of transmission towers.
This study presents the reliability-based analysis of nonlinear structures using the analytical fragility curves excited by random earthquake loads. The stochastic method of ground motion simulation is combined with the random vibration theory to compute structural failure probability. The formulation of structural failure probability using random vibration theory, based on only the frequency information of the excitation, provides an important basis for structural analysis in places where there is a lack of sufficient recorded ground motions. The importance of frequency content of ground motions on probability of structural failure is studied for different levels of the nonlinear behavior of structures. The set of simulated ground motion for this study is based on the results of probabilistic seismic hazard analysis. It is demonstrated that the scenario events identified by the seismic risk differ from those obtained by the disaggregation of seismic hazard. The validity of the presented procedure is evaluated by Monte-Carlo simulation.
Maria, Polese;Gerardo M., Verderame;Gaetano, Manfredi
Structural Engineering and Mechanics
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제39권4호
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pp.599-620
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2011
The investigation on possible causes of failures related to documented collapses is a complicated issue, primarily due to the scarcity and inadequacy of information available. Although several studies have tried to understand which are the inherent structural deficiencies or circumstances associated to failure of the main structural elements in a reinforced concrete frame, to the authors knowledge a uniform approach for the evaluation building static vulnerability, does not exist yet. This paper investigates, by means of a detailed case study, the potential failure mechanisms of an existing reinforced concrete building. The linear elastic analysis for the three-dimensional building model gives an insight on the working conditions of the structural elements, demonstrating the relevance of a number of structural faults that could sensibly lower the structure's safety margin. Next, the building's bearing capacity is studied by means of parametric nonlinear analysis performed at the element's level. It is seen that, depending on material properties, concrete strength and steel yield stress, the failure hierarchy could be dominated by either brittle or ductile mechanisms.
Kim, Ho Jin;Yi, Na Hyun;Kim, Sung Bae;Nam, Jin Won;Ha, Ju Hyung;Kim, Jang-Ho Jay
Structural Engineering and Mechanics
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제38권4호
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pp.479-501
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2011
Even though fiber reinforced polymer (FRP) has been widely used as a retrofitting material, the FRP behavior and effect in FRP retrofitted structure under blast loading, impulsive loading with instantaneous time duration, has not been accurately examined. The past studies have focused on the performance of FRP retrofitted structures by making simplifications in modeling, without incorporating accurate failure mechanisms of FRP. Therefore, it is critical to establish an analytical model that can properly consider the specific features of FRP material in evaluating the response of retrofitted concrete structures under blast loading. In this study, debonding failure analysis technique for FRP retrofitted concrete structure under blast loading is suggested by considering FRP material characteristics and debonding failure mechanisms as well as rate dependent failure mechanism based on a blast resisting design concept. In addition, blast simulation of FRP retrofitted RC panel is performed to validate the proposed model and analysis method. For validation of the proposed model and analysis method, the reported experimental results are compared with the debonding failure analysis results. From the comparative verification, it is confirmed that the proposed analytical model considering debonding failure of FRP is able to reasonably predict the behavior of FRP retrofitted concrete panel under blast loading.
The seismic performance of the tall building equipped with a tuned mass damper (TMD) considering soil-structure interaction (SSI) effects is well studied in the literature. However, these studies are performed on the nominal model of the seismic-excited structural system with SSI. Hence, the outcomes of the studies may not valid for the actual structural system. To address the study gap, the reliability theory as a useful and powerful method is utilized in the paper. The present study aims to carry out reliability analyses on tall buildings equipped with TMD under near-field pulse-like (NFPL) ground motions considering SSI effects using a subset simulation (SS) method. In the presence of uncertainties of the structural model, TMD device, foundation, soil, and near-field pulse-like ground motions, the numerical studies are performed on a benchmark 40-story building and the failure probabilities of the structures with and without TMD are evaluated. Three types of soils (dense, medium, and soft soils), different earthquake magnitudes (Mw = 7,0. 7,25. 7,5 ), different nearest fault distances (r = 5. 10 and 15 km), and three seismic performance levels of immediate occupancy (IO), life safety (LS), and collapse prevention (CP) are considered in this study. The results show that tall buildings built near faults and on soft soils are more affected by uncertainties of the structural and ground motion models. Hence, ignoring these uncertainties may result in an inaccurate estimation of the maximum seismic responses. Also, it is found the TMD is not able to reduce the failure probabilities of the structure in the IO seismic performance level, especially for high earthquake magnitudes and structures built near the fault. However, TMD is significantly effective in the reduction of failure probability for the LS and CP performance levels. For weak earthquakes and long fault distances, the failure probabilities of both structures with and without TMD are near zero, and the efficiency of the TMD in the reduction of failure probabilities is reduced by increasing earthquake magnitudes and the reduction of fault distance. As soil softness increases, the failure probability of structures both with and without TMD often increases, especially for severe near-fault earthquake motion.
There are many uncertainties in structural failures or structures, so probabilistic failure cause assessment should be performed in order to consider the uncertainties. However, in many cases of forensic engineering, the failure cause assessments are performed by deterministic approach though number of uncertainties are existed in the failures or structures. Thus, deterministic approach may have possibility for leading to unreasonable and unrealistic failure cause assessment due to ignorance of the uncertainties. Therefore, probabilistic approach is needed to complement the shortcoming of deterministic approach and to perform the more reasonable and realistic failure cause assessment. In this study, reliability-based failure cause assessment (reliability based forensic engineering) is performed, which can incorporate uncertainties in failures and structures. For more practical application, the modified ETA technique is proposed, which automatically generates the defected structural model, performs structural analysis and reliability analysis, and calculates the failure probabilities of the failure events and the occurrence probabilities of the failure scenarios. Also, for more precise reliability analysis, uncertainties are estimated more reasonably by using bayesian approach based on the experimental laboratory testing data in forensic report.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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