This study aims to develop efficient composite laminates for buckling load enhancement, interlaminar shear stress minimization, and weight reduction. This goal is achieved through cover-skin lay-ups around skins and stiffeners, which amplify bending stiffness and defer delamination by means of effective stress distribution. The design problem is formulated as multi-objective optimization that maximizes buckling load capability while minimizing both maximum out-of-plane shear stress and panel weight. For efficient optimization, response surface methodology is employed for buckling load, two out-of-plane shear stresses, and panel weight with respect to one ply thickness, six fiber orientations of a skin, and four stiffener heights. Numerical results show that skin-covered composite stiffened panels can be devised for maximum buckling load and minimum interlaminar shear stresses under compressive load. In addition, the effects of different material properties are investigated and compared. The obtained results reveal that the composite stiffened panel with Kevlar material is the most effective design.
Recently we formulated a 2D hybrid stress element from the 3D Hellinger-Reissner principle for the analysis of thick bodies that are symmetric to the thickness direction. Polynomials have typically been used for all the displacement and stress fields. Although the element predicted the dominant stress and all displacement fields accurately, its prediction of the out-of-plane shear stresses was affected by the very high order terms used in the polynomials. This paper describes an improved formulation of the 2D element using Fourier series expansion for the out-of-plane displacement and stress fields. Numerical results illustrate that its predictions have markedly improved.
All over the Republic of Korea, there are many masonry buildings which have been built since 1970s. When the earthquake at Po-Hang occurred, this is the main cause of huge damage because the masonry buildings have not seismic capacity. When masonry buildings are failed, two type of the failure modes can be shown, which are in-plane mode and out-plane mode. In-plane mode can have seismic capacity in masonry so diagonal shear test is performed in this study. The purpose of this study was to find the best way to reinforce the materials through the diagonal shear test. Through the test, shear stress and shear modulus of elasticity will be calculated, referred to the ASTM E 519-02. The variables in this test are ${\phi}3$ wire, three types of wire meshes, polypropylene strap and different types of brick. Each variable is applied to the same condition of the $1.2m{\times}1.2m$ masonry walls which are made by ASTM E 519-02. Compared to each variable with shear stress and shear modulus of elasticity, the best way of reinforcing method to have seismic capacity will be proved in this study.
This paper presents theoretical solutions for the three-dimensional (3D) stress field in an infinite isotropic elastic plate containing a through-the-thickness circular hole subjected to far-field in-plane loads by using Kane and Mindlin's assumption. The dangerous position, where the premature fracture or failure of the plate will take place, the expressions of the tangential stress at the surface of the hole and the out-of-plane stress constraint factor are found in a concise, explicit form. Based on the present theoretical solutions, a comprehensive analysis is performed on the deviated degree of the in-plane stresses from the related plane stress solutions, stress concentration and out-of-plane constraint, and the emphasis has been placed on the effects of the plate thickness, Poisson's ratio and the far-field in-plane loads on the stress field. The analytical solution shows that the effects of the plate thickness and Poisson's ratio on the deviation of the 3D in-plane stress components is obvious and could not be ignored, although their effects on distributions of the in-plane stress components are slight, and that the effect of the far-field in-plane loads is just on the contrary of that of the above two. When only the shear stress is loaded at far field, the stress concentration factor reach its peak value about 8.9% higher than that of the plane stress solutions, and the out-of-plane stress constraint factor can reach 1 at the surface of the hole and is the biggest among all cases considered.
The capability of a multi-directional fixed smeared crack constitutive model to simulate the flexural/punching failure modes of fiber reinforced concrete (FRC) laminar structures is discussed. The constitutive model is implemented in a computer program based on the finite element method, where the FRC laminar structures were simulated according to the Reissner-Mindlin shell theory. The shell is discretized into layers for the simulation of the membrane, bending and out-of-plane shear nonlinear behavior. A stress-strain softening diagram is proposed to reproduce, after crack initiation, the evolution of the normal crack component. The in-plane shear crack component is obtained using the concept of shear retention factor, defined by a crack-strain dependent law. To capture the punching failure mode, a softening diagram is proposed to simulate the decrease of the out-of-plane shear stress components with the increase of the corresponding shear strain components, after crack initiation. With this relatively simple approach, accurate predictions of the behavior of FRC structures failing in bending and in shear can be obtained. To assess the predictive performance of the model, a punching experimental test of a module of a façade panel fabricated with steel fiber reinforced self-compacting concrete is numerically simulated. The influence of some parameters defining the softening diagrams is discussed.
Finite element method (FEM) is an effective quantitative method to solve complex engineering problems. The basic idea of FEM for a complex problem is to be able to find a solution by reducing the problem made simple. If mathematical tools are inadequate to obtain precise result, even approximate result, FEM is the only method that can be used for structural analyses. In FEM, the domain is divided into a large number of simple, small and interconnected sub-regions called finite elements. FEM has been used commonly for linear and nonlinear analyses of different types of structures to give us accurate results of plane stress and plane strain problems in civil engineering area. In this paper, FEM is used to investigate stress analysis of a shear wall which is subjected to concentrated loads and fundamental principles of stress analysis of the shear wall are presented by using matrix displacement method in this paper. This study is consisting of two parts. In the first part, the shear wall is discretized with constant strain triangular finite elements and stiffness matrix and load vector which is attained from external effects are calculated for each of finite elements using matrix displacement method. As to second part of the study, finite element analysis of the shear wall is made by ANSYS software program. Results obtained in the second part are presented with tables and graphics, also results of each part is compared with each other, so the performance of the matrix displacement method is demonstrated. The solutions obtained by using the proposed method show excellent agreements with the results of ANSYS. The results show that this method is effective and preferable for the stress analysis of shell structures. Further studies should be carried out to be able to prove the efficiency of the matrix displacement method on the solution of plane stress problems using different types of structures.
An investigation was performed to study the inner damage of laminated composite plates subjected to out-of-plane load. During the investigation, inpact velocity and equivalent static load relationship was derived. Reddy's higher-order shear deformation theory(HSDT) and Hashin's failure criteria were used to determine inner stresses and damaged area. And impact testing was carried out on laminated composite plates by air gun type impact testing machine. The CFRP specimens were composed of [ .+-. 45 .deg. ]$_{4}$and [ .+-. 45 .deg. /0 .deg. /90 .deg. ]$_{2}$ stacking sequences with 0.75$^{t}$ * 26$^{w}$ * 100$^{l}$ (mm) dimension. After impact testing. As a result, a relationship holds between damaged area and impact energy, and a matrix cracking was caused by the interlaminar shear stress in the middle ply and was caused by the inplane transverse stress in the bottom ply.
The fatigue behavior of welded open rib-to crossbeam joints (ORCJ) in orthotropic bridge structures is investigated using a traction structural stress method. The fatigue behaviors of welded open rib-to crossbeam joints have been a subject of study for decades for ensuring operational safety and future design improvement. A mesh-insensitive combination of traction structural stresses in ORCJ was obtained considering the effect of in-plane shear stress and validated by fatigue test results. The proposed method is advantageous for predicting fatigue cracks that initiate from the crossbeam cutout and propagate along the crossbeam. The investigations carried out with the proposed approach reveal that the normal structural stress decreases with the propagation of fatigue cracks, while the ratio of shear stress to normal stress increases. The effect of shear structural stress is significant for the analysis of fatigue behavior of ORCJ in multiaxial stress states.
This paper presents a study on the behavior of a bolted T-stub to square tube connection using Thread-fixed One-side Bolts (TOBs) through tests and numerical simulations. It outlines a research work of four connections with focus on the failure modes and strengths of the connection under tensile load. It was observed that the thread anchor failure caused by shear failure of hole threads controlled the final failure of the connection in the tests. Meanwhile, the out-of-plane deformation of tube wall resulted in the contact separation between hole threads and bolt threads, which in turn reduced the shear strength of hole threads. Finite element models (FEMs) allowing for the configuration details of the TOBs fixed connection are then developed and compared with the test results. Subsequently, the failure mechanism of hole threads and stress distribution of each component are analyzed based on FEM results. It was concluded that the ultimate strength of connection was not only concerned with the shear strength of hole threads, but also was influenced by the plastic out-of-plane deformation of tube wall. These studies lay a foundation for the establishment of suitable design methods of this type of connection.
Biaxial low cycle fatigue test was carried out to predict fatigue life under combined axial-torsional-loading condition which is that of in-phase and out-of-phase for CF8M cast stainless steels. Fatemi-Socie(FS) parameter which is based on critical plane approach is not only one of methods but also the best method that can predict fatigue life under biaxial loading condition. But the result showed that, biaxial fatigue life prediction by using FS parameter with several different parameters for the CF8M cast stainless steels is not conservative but best results. So in this present research, we proposed new fatigue life prediction parameter considering effective shear stress instead of FS parameter which considers the maximum normal stress acting on maximum shear strain and its effectiveness was verified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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