Steel plate shear wall (SPSW) system has been increasingly used for lateral loads resisting system since 1980s when the utilization of post-buckling strength of SPSW was realized. The structural response of SPSWs largely depends on the behavior of the surrounded beams. The beams are normally required to behave in the elastic region when the SPSW fully buckled and formed the tension field action. However, most modern design codes do not specify how this requirement can be achieved. This paper presents theoretical investigation and design procedures of manually calculating the plastic flexural capacity of the beams of SPSWs and can be considered as an extension to the previous work by Qu and Bruneau (2011). The reduction in the plastic flexural capacity of beam was considered to account for the presence of shear stress that was altered towards flanges at the boundary region, which can be explained by Saint-Venant's principle. The reduction in beam web was introduced and modified based on the research by Qu and Bruneau (2011), while the shear stress in the web in this research is excluded due to the boundary effect. The plastic flexural capacity of the beams is given by the superposition of the contributions from the flanges and the web. The developed equations are capable of predicting the plastic moment of the beams subjected to combined shear force, axial force, bending moment, and tension fields induced by yielded infill panels. Good agreement was found between the theoretical results and the data from previous research for flexural capacity of beams.
This paper investigates the effect of micromechanical models on the bending behavior of bidirectional functionally graded (BDFG) beams subjected to different mechanical loading. The material properties of the beam are considered to be graded in both axial and thickness directions according to a power law. The beam's behavior is modeled by the mean of quasi 3D displacement field that contain undetermined integral terms and involves a reduced unknown functions. Navier's method is employed to determine and compute the displacements and stress for a simply supported beam. Different homogenization schemes such as Voigt, Reus, and Mori-Tanaka are employed to analyze the response of the BDFG beam subjected to linear, uniform, exponential and sinusoidal distributed loading. The results obtained by the present method are compared with available results in the literature and a good agreement was found. Several numerical results are presented in tabular form and in figures to examine the effects of the material gradation, micromechanical models and types of loading on the bending response of BDFG beams. It can be concluded that the present theory is not only accurate but also simple in predicting the bending response of BDFG beam subjected to different static loads.
Robinson, Dale;Aguilar, Luis;Gatti, Andrea;Abduo, Jaafar;Lee, Peter Vee Sin;Ackland, David
The Journal of Advanced Prosthodontics
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v.11
no.3
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pp.169-178
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2019
PURPOSE. While dental implants have displayed high success rates, poor mechanical fixation is a common complication, and their biomechanical response to occlusal loading remains poorly understood. This study aimed to develop and validate a computational model of a natural first premolar and a dental implant with matching crown morphology, and quantify their mechanical response to loading at the occlusal surface. MATERIALS AND METHODS. A finite-element model of the stomatognathic system comprising the mandible, first premolar and periodontal ligament (PDL) was developed based on a natural human tooth, and a model of a dental implant of identical occlusal geometry was also created. Occlusal loading was simulated using point forces applied at seven landmarks on each crown. Model predictions were validated using strain gauge measurements acquired during loading of matched physical models of the tooth and implant assemblies. RESULTS. For the natural tooth, the maximum vonMises stress (6.4 MPa) and maximal principal strains at the mandible ($1.8m{\varepsilon}$, $-1.7m{\varepsilon}$) were lower than those observed at the prosthetic tooth (12.5 MPa, $3.2m{\varepsilon}$, and $-4.4m{\varepsilon}$, respectively). As occlusal load was applied more bucally relative to the tooth central axis, stress and strain magnitudes increased. CONCLUSION. Occlusal loading of the natural tooth results in lower stress-strain magnitudes in the underlying alveolar bone than those associated with a dental implant of matched occlusal anatomy. The PDL may function to mitigate axial and bending stress intensities resulting from off-centered occlusal loads. The findings may be useful in dental implant design, restoration material selection, and surgical planning.
Eltaher, Mohamed A.;Almalki, Talaal A.;Ahmed, Khaled I.E.;Almitani, Khalid H.
Advances in nano research
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v.7
no.1
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pp.39-49
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2019
This paper focuses on two main objectives. The first one is to exploit an energy equivalent model and finite element method to evaluate the equivalent Young's modulus of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) at any orientation angle by using tensile test. The calculated Young's modulus is validated with published experimental results. The second target is to exploit the finite element simulation to investigate mechanical buckling and natural frequencies of SWCNTs. Energy equivalent model is presented to describe the atomic bonding interactions and their chemical energy with mechanical structural energies. A Program of Nanotube modeler is used to generate a geometry of SWCNTs structure by defining its chirality angle, overall length of nanotube and bond length between two adjacent nodes. SWCNTs are simulated as a frame like structure; the bonds between each two neighboring atoms are treated as isotropic beam members with a uniform circular cross section. Carbon bonds is simulated as a beam and the atoms as nodes. A finite element model using 3D beam elements is built under the environment of ANSYS MAPDL environment to simulate a tensile test and characterize equivalent Young's modulus of whole CNT structure. Numerical results are presented to show critical buckling loads, axial and transverse natural frequencies of SWCNTs with different orientation angles and lengths. The understanding of mechanical behaviors of CNTs are essential in developing such structures due to their great potential in wide range of engineering applications.
Valdes-Vazquez, Jesus G.;Garcia-Soto, Adrian D.;Hernandez-Martinez, Alejandro;Nava, Jose L.
Wind and Structures
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v.31
no.6
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pp.533-548
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2020
Despite the current technologic developments, failures in existent tensile fabric structures (TFS) subjected to wind do happen. However, design pressure coefficients are only obtained for large projects. Moreover, studies on TFSs with realistic supporting frames, comparing static and dynamic analyses and discussing the design implications, are lacking. In this study, fluid-Structure analyses of a TFS supported by masts and inclined cables, by subjecting it to different wind speeds, are carried out, to gain more understanding in the above-referred aspects. Wind-induced stresses in the fabric and axial forces in masts and cables are assessed for a hypar by using computational fluid dynamics. Comparisons are carried out versus an equivalent static analysis and also versus loadings deemed representative for design. The procedure includes the so-called form-finding, a finite element formulation for the TFS and the fluid formulation. The selected structure is deemed realistic, since the supporting frame is included and the shape and geometry of the TFS are not uncommon. It is found that by carrying out an equivalent static analysis with the determined pressure coefficients, differences of up to 24% for stresses in the fabric, 5.4% for the compressive force in the masts and 21% for the tensile force in the cables are found with respect to results of the dynamic analysis. If wind loads commonly considered for design are used, significant differences are also found, specially for the reactions at the supporting frame. The results in this study can be used as an aid by designers and researchers.
Hidayat, Banu A.;Hu, Hsuan-Teh;Hsiao, Fu-Pei;Han, Ay Lie;Sosa, Lisha;Chan, Li-Yin;Haryanto, Yanuar
Computers and Concrete
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v.27
no.5
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pp.457-472
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2021
Reinforced concrete (RC) buildings in Taiwan have suffered failure from strong earthquakes, which was magnified by the non-ductile detailing frames. Inadequate reinforcement as a consequence of the design philosophy prior to the introduction of current standards resulted in severe damage in the column and beam-column joint (BCJ). This study establishes a finite element analysis (FEA) of the non-ductile detailing RC column, BCJ, and three-story building that was previously tested through a tri-axial shaking table test. The results were then validated to laboratory specimens having the exact same dimensions and properties. FEA simulation integrates the concrete damage plasticity model and the elastic-perfectly plastic model for steel. The load-displacement responses of the column and BCJ specimens obtained from FEA were in a reasonable agreement with the experimental curves. The resulting initial stiffness and maximum base shear were found to be a close approximation to the experimental results. Also, the findings of a dynamic analysis of the three-story building showed that the time-history data of acceleration and displacement correlated well with the shaking table test results. This indicates the FEA implementation can be effectively used to predict the RC frame performance and failure mode under seismic loads.
The aim of this work is to study the hygro-thermo-mechanical bending responses of simply supported FG plate resting on a Winkler-Pasternak elastic foundation. The effect transverse shear strains is taken into account in which the zero transverse shear stress condition on the top and bottom surfaces of the plate is ensured without using any shear correction factors. The developed model contains only four unknowns variable which is reduced compared to other HSDTs models. The material properties of FG-plate are supposed to vary across the thickness of the plate according to power-law mixture. The differential governing equations are derived based on the virtual working principle. Numerical outcomes of bending analysis of FG plates under hygro-thermo-mechanical loads are performed and compared with those available in the literature. The effects of the temperature, moisture concentration, elastic foundation parameters, shear deformation, geometrical parameters, and power-law-index on the dimensionless deflections, axial and transverse shear stresses of the FG-plate are presented and discussed.
Du, Yong;Zhou, Huikai;Jiang, Jian;Liew, J.Y. Richard
Steel and Composite Structures
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v.38
no.2
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pp.121-139
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2021
Ultra-high strength concrete (UHSC) encased steel columns are receiving growing interest in high-rise buildings owing to their economic and architectural advantages. However, UHSC encased steel columns are not covered by the modern fire safety design code. A total of 14 fire tests are conducted on UHSC (120 MPa) encased steel columns under constant axial loads and exposed to ISO-834 standard fire. The effect of load ratio, slenderness, stirrup spacing, cross-section size and concrete cover to core steel on the fire resistance and failure mode of the specimens are investigated. The applicability of the tabulated method in EC4 (EN 1994-1-2-2005) and regression formula in Chinese code (DBJ/T 15-81-2011) to fire resistance of UHSC encased steel columns are checked. Generally, the test results reveal that the vertical displacement-heating time curves can be divided into two phases, i.e. thermal expansion and shortening to failure. It is found that the fire resistance of column specimens increases with the increase of the cross-section size and concrete cover to core steel, but decreases with the increase of the load ratio and slenderness. The EC4 method overestimates the fire resistance up to 186% (220 min), while the Chinese code underestimates it down to 49%. The Chinese code has a better agreement than EC4 with the test results since the former considers the effect of the load ratio, slenderness, cross section size directly in its empirical formula. To estimate the fire resistance precisely can improve the economy of structural fire design of ultra-high strength concrete encased steel columns.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.5
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pp.10-19
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2022
Irregularity in structural shape is a ubiquitous phenomenon. Structural hazards evoked from irregularity need to be checked against extreme lateral loadings. Structures containing four distinct types of irregularities in terms of continuity and discontinuity in upper half-length and all story levels along with O-shape are investigated. The structures were analyzed numerically and different seismic responses such as displacements, bending moment, axial forces, torsions, story drift, etc. were scrutinized. The seismic and wind load analysis was conducted for ACI 318-11 conditions. Results show that buildings having discontinuous beams on the upper half exhibit better resilience. It is also concluded that O-shaped building structures provide better resistance to overturning, making this shape relatively safe.
This study build finite element analysis (FEA) models describing the bending events of coiled tubing (CT) at the wellhead and trips into the hole, accurately provide the state of stress and strain while the CT is in service. The bending moment and axial force history curves are used as loads and boundary conditions in the diametrical growth models to ensure consistency with the actual working conditions in field operations. The simulation diametrical growth results in this study are more accurate and reasonable. Analysis the factors influencing fatigue and diametrical growth shows that the internal pressure has a first-order influence on fatigue, followed by the radius of the guide arch, reel and the CT diameter. As the number of trip cycles increase, fatigue damage, residual stress and strain cumulatively increase, until CT failure occurs. Significant residual stresses remain in the CT cross-section, and the CT exhibits a residual curvature, the initial residual bending configuration of CT under wellbore constraints, after running into the hole, is sinusoidal. The residual stresses and residual bending configuration significantly decrease the buckling load, making the buckling and buckling release of CT in the downhole an elastic-plastic process, exacerbating the helical lockup. The conclusions drawn in this study will improve CT models and contribute to the operational and economic success of CT services.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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