Bolted connections are used commonly in the precast reinforced concrete structures. In such structures, to perform structural analysis, behaviour of connections must be determined. In this study, elastic rotation stiffness of semi-rigid bolted beam connections, applied in industrial precast structures, are determined by finite element methods. The results obtained from numerical solutions are compared with an experimental study carried out for the same connections. Furthermore, stress distributions of the connection zone are determined and a reinforcement scheme is proposed. Thus, a more appropriate reinforcement arrangement for the connection zone is enabled. The connection joint of the prefabricated frame is described as rigid, hinged or elastic, and a static analysis of the frame system is performed for each case. Values of bending moments and displacements obtained from the three solutions are compared and the effects of elastic connection are discussed.
The paper presents the dynamic stability of a flexible shoe in drum brake systems subjected to a frictional force. The frictional force between the drum and the shoe is assumed as a distributed frictional force, while the shute is modeled as an elastic beam supported by two translational springs at both ends and elastic foundations. Governing equations of motion are derived by energy expressions, and their numerical results are obtained by employing the finite element method. The critical distributed frictional force and the instability regions are demonstrated by changing the stiffness of two translational springs and elastic foundation parameters. It is also shown that the beam loses its stability by flutter and divergence depending on the stiffness of elastic supports and elastic foundation parameters. Time responses of beams corresponding to their instability types are also demonstrated.
Distortional and local buckling are important factors that influences the bearing capacity of steel-concrete composite box-beam. Through theoretical analysis of distortional buckling forms, a stability analysis calculation model of composite box beam considering rotation of steel beam top flange is presented. The critical bending moment calculation formula of distortional buckling is established. In addition, mechanical behaviors of a steel beam web in the negative moment zone subjected separately to bending stress, shear stress and combined stress are investigated. Elastic buckling factors of steel web under different stress conditions are calculated. On the basis of local buckling analysis results, a limiting value for height-to thickness ratio of a steel web in the elastic stage is proposed. Numerical examples are presented to verify the proposed models.
The plastic collapse loads and their locations are predicted for a class of tapered, initially curved, and transversely corrugated cantilevered beams subjected to static tip loading. Results of both closed form and finite element solutions for several rigid perfectly plastic and elastic perfectly plastic beam models are evaluated. The governing equations are cast in nondimensional form for efficient studies of collapse load as it varies with beam geometry and the angle of the tip load. Static experiments for laboratory-scale configurations whose taper flared toward the tip, complemented the theory in that collapse occurred at points about 40% of the beams length from the fixed end. Experiments for low speed impact loading of these configurations showed that collapse occurred further from the fixed end, between the 61% and 71% points. The results may be applied to the design of safer highway guardrail terminal systems that collapse by design under vehicle impact.
Static and dynamic responses of a completely free elastic beam resting on a two-parameter tensionless Pasternak foundation are investigated by assuming that the beam is symmetrically subjected to a uniformly distributed load and concentrated load at its middle. Governing equations of the problem are obtained and solved by paying attention on the boundary conditions of the problem including the concentrated edge foundation reaction in the case of complete contact and lift-off condition of the beam ina two-parameter foundation. The nonlinear governing equation of the problem is evaluated numerically by adopting an iterative procedure. Numerical results are presented in figures to demonstrate the non-linear behavior of the beam-foundation system for various values of the parameters of the problem comparatively by considering the static and dynamic loading cases.
An efficient shear deformation beam theory is developed for thermo-elastic vibration of FGM beams. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear strains and satisfies the zero traction boundary conditions on the on the surfaces of the beam without using shear correction factors. The material properties of the FGM beam are assumed to be temperature dependent, and change gradually in the thickness direction. Three cases of temperature distribution in the form of uniformity, linearity, and nonlinearity are considered through the beam thickness. Based on the present refined beam theory, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. The closed-form solutions of functionally graded beams are obtained using Navier solution. Numerical results are presented to investigate the effects of temperature distributions, material parameters, thermal moments and slenderness ratios on the natural frequencies. The accuracy of the present solutions is verified by comparing the obtained results with the existing solutions.
The nonlinear dynamic behavior of a nonuniform small-scale nonlocal beam is investigated in this work. The nanobeam is theoretically modeled using the nonlocal Eringen theory, as well as a few of Von-nonlinear Kármán's theories and the classical beam theory. The Hamilton principle extracts partial differential equations (PDE) of an axially functionally graded (AFG) nano-scale beam consisting of SUS304 and Si3N4 throughout its length, and an elastic Winkler-Pasternak substrate supports the tapered AFG nanobeam. The beam thickness is a function of beam length, and it constantly varies throughout the length of the beam. The numerical solution strategy employs an iteration methodology connected with the generalized differential quadratic method (GDQM) to calculate the nonlinear outcomes. The nonlinear numerical results are presented in detail to examine the impact of various parameters such as nonlinear amplitude, nonlocal parameter, the component of the elastic foundation, rate of cross-section change, and volume fraction parameter on the linear and nonlinear free vibration characteristics of AFG nanobeam.
The magneto-electro-elastic (MEE) material under thermal environment exhibits pyroelectric and pyromagnetic coefficients resulting in pyroelectric and pyromagnetic effects. The pyroelectric and pyromagnetic effects on the behavior of multiphase MEE sensors bonded on top surface of a mild steel beam under thermal environment is presented in this paper. The aim of the study is to find out how samples having different volume fractions of the multiphase MEE composite behave in sensor applications. This is studied at optimal location on the beam, where the maximum electric and magnetic potentials are induced due to pyroelectric and pyromagnetic effects under clamped-free and clamped-clamped boundary conditions. The sensor which is bonded on the top surface of the beam is modeled using 8-node brick element. The MEE sensor bonded on mild steel beam is subjected to uniform temperature rise of 50K. It is assumed that beam and sensor is perfectly bonded to each other. The maximum pyroelectric and pyromagnetic effects on electric and magnetic potentials are observed when volume fraction is ${\nu}_f=0.2$. The boundary conditions significantly influence the pyroelectric and pyromagnetic effects on electric and magnetic potentials.
Hou, Suxia;Wu, Shengbin;Luo, Jijun;Nasihatgozar, Mohsen;Behshad, Amir
Steel and Composite Structures
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제45권4호
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pp.555-562
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2022
Improving the mechanical properties of concrete in the construction industry in order to increase resistance to dynamic and static loads is one of the essential topics for researchers. In this work, vibration analysis of elastic nanocomposite beams reinforced by nanoparticles based on mathematical model is presented. For modelling of the strucuture, sinusoidal shear deformation beam theory (SSDBT) is utilized. Mori-anak model model is utilized for obtaining the effective properties of the strucuture including agglomeration influences. Utilizing the energy method and Hamilton's principal, the motion equations are calculated. The frequency of the elastic nanocomposite beam is obtanied by analytical method. The aim of this work is investigating the effects of nanoparticles volume percent and agglomeration, length and thickness of the beam on the frequency of the structure. The results show that the with enhancing the nanoparticles volume percent, the frequency is increased. In addition, the water absorption of the concrete is presented in this article.
Elastic constraints are usually simplified as "spring forces" exerted on beam ends without considering the "spring deformation". The partial differential equation governing the free vibrations of a cantilever Bernoulli-Euler beam considering the deformation of elastic constraints is firstly established, and is nondimensionalized to obtain two dimensionless factors, $k_v$ and $k_r$, describing the effects of elastically vertical and rotational end constraints, respectively. Then the frequency equation for the above Bernoulli-Euler beam model is derived using the method of separation of variables. A numerical analysis method is proposed to solve the transcendental frequency equation for the continuous change of the frequency with $k_v$ and $k_r$. Then the mode shape functions are given. Finally, effects of $k_v$ and $k_r$ on free vibration characteristics of the beam with different slenderness ratios are calculated and analyzed. The results indicate that the effects of $k_v$ are larger on higher-order free vibration characteristics than on lower-order ones, and the impact strength decreases with slenderness ratio. Under a relatively larger slenderness ratio, the effects of $k_v$ can be neglected for the fundamental frequency characteristics, while cannot for higher-order ones. However, the effects of $k_r$ are large on both higher- and lower-order free vibration characteristics, and cannot be neglected no matter the slenderness ratio is large or small.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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