The present work pays emphasis on investigating the effect of different types of debonding on the bending behaviour of active sandwich beam, consisting of both extension and shear actuators. An active sandwich beam finite element is formulated by using Timoshenko's beam theory, characterized by first order shear deformation for the core and Euler-Bernoulli's beam theory for the top and bottom faces. The problem of debondings of extension actuator and face are dealt with by employing four-region model for inner debonding and three-region model for the edge debonding respectively. Displacement based continuity conditions are enforced at the interfaces of different regions using penalty method. Firstly, piezoelectric actuation of healthy sandwich beam is assessed through deflection analysis. Then the effect of actuators' debondings with different boundary conditions on bending behavior is computationally evaluated and experimentally clamped-free case is validated. The results generated will be useful to address the damage tolerant design procedures for smart sandwich beam structures with structural control and health monitoring applications.
Shear connectors have a finite slip capacity because of the mechanism by which they transfer the shear between UHPFRC and NC elements. At high degree of shear connection, non-linear analysis techniques are required to allow for compressive plasticity and tensile cracking behaviour of the elements. As with all non-linear problems, a closed form solution is difficult to find. A Modified Shooting Method Technique is developed here for non-linear analysis of UHPFRC/concrete composite. The initial effective moment is derived according to the prestressing force. The composite structure is divided into small segments which length is much less than the length of the structure and it can be assumed that the forces and displacements within each segment are constant. An equivalent analysis in composite girders would be to fix the slip strain in each segment and develop a moment curvature relationship for this slip strain in each segment. Additive forces and moment analysis on each section of the segments are analyzed by MSMT. Finally the ultimate slippage of the interface can be evaluated by the MSMT model. This paper presents a nonlinear analysis method for limited slip capacity of UHPFRC-NC interface.
In this study the finite element method is utilized to predict the deflection and vibration characteristics of rectangular plates made of saturated porous functionally graded materials (PFGM) within the framework of the third order shear deformation plate theory. Material properties of PFGM plate are supposed to vary continuously along the thickness direction according to the power-law form and the porous plate is assumed of the form where pores are saturated with fluid. Various edge conditions of the plate are analyzed. The governing equations of motion are derived through energy method, using calculus of variations while the finite element model is derived based on the constitutive equation of the porous material. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling and finite element approach can provide accurate deflection and frequency results of the PFGM plates as compared to the previously published results in literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as porosity volume fraction, material distribution profile, mode number and boundary conditions on the natural frequencies and deflection of the PFGM plates in detail. It is explicitly shown that the deflection and vibration behaviour of porous FGM plates are significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FGM plates with porosity phases.
In this work, the buckling and vibrational behavior of the composite beam armed with single-walled carbon nanotubes (SW-CNT) resting on Winkler-Pasternak elastic foundation are investigated. The CNT-RC beam is modeled by a novel integral first order shear deformation theory. The current theory contains three variables and uses the shear correction factors. The equivalent properties of the CNT-RC beam are computed using the mixture rule. The equations of motion are derived and resolved by Applying the Hamilton's principle and Navier solution on the current model. The accuracy of the current model is verified by comparison studies with others models found in the literature. Also, several parametric studies and their discussions are presented.
Cyril Thomas Antony Raj;Jyothis Paul Elanhikuzhy;Baskar Kaliyamoorthy
Steel and Composite Structures
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제49권6호
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pp.685-699
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2023
In recent years, Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP) strengthening is found to be one of the best methods to strengthen steel structures. The fibrous bond can also influence the vibration characteristics of the strengthened element apart from its static strength enhancement property. The main objective of this study is to understand the influence of CFRP strengthening on the dynamic Behaviour of Thin-Webbed Castellated Beams (TWCBs). A detailed experimental investigation was carried out on five sets of beams with varying parameters such as domination of shear (Shear Dominant, Moment Dominant and Moment and Shear Dominant), sectional classification (Plastic and Semi-compact) and perforation geometries (ho/dwratio 0.65 and e/ho ratio 0.3). Free vibration analysis was carried out by exciting the simply supported TWCBs with an impact force generated by a ball dropped from a specific height. Logarithmic decrement method was used to obtain the damping ratio and natural frequencies of vibration were found by Fast Fourier Transform (FFT). Natural frequency showed an increase in a range of 10.5 - 55% for the different sets of castellated beams. An increase of 62.30% was noted in the damping ratio of TWCBs after strengthening which is an indication of improvement in the vibration characteristics of the beam.
본 연구는 실내 모형말뚝 재하실험과 유한요소해석을 통해 모형말뚝 선단부 주변 흙의 변형률 거동을 비교 분석하였다. 모형말뚝의 하중을 모사하기 위해 LCM(load control method) 기법과 DCM(displacement control method) 기법을 소개하고, 이 중 수치해석에 타당한 기법을 제안하였다. 유한요소해석에 있어서 말뚝의 미끄럼 거동을 모사하기 위해 기존과는 달리 두 가지 경계면 요소를 사용하여 모형실험 결과와 비교하였다. 본 연구를 통해 비연관 흐름의 정도(degree of non-associated flow)가 수치해석 값 수렴에 중요한 요소임을 알 수 있었다. 또한 수치해석에 있어 대칭인 최대전단변형률 분포를 얻기 위해서는 새로이 개선된 유한요소망(finite element mesh)의 도입이 필요함을 알 수 있었다.
Hajirasouliha, Iman;Pilakoutas, Kypros;Mohammadi, Reza K.
Steel and Composite Structures
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제20권2호
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pp.317-335
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2016
Concentrically braced steel frames (CBFs) can be optimised during the seismic design process by using lateral loading distributions derived from the concept of uniform damage distribution. However, it is not known how such structures are affected by uncertainties. This study aims to quantify and manage the effects of structural and ground-motion uncertainty on the seismic performance of optimum and conventionally designed CBFs. Extensive nonlinear dynamic analyses are performed on 5, 10 and 15-storey frames to investigate the effects of storey shear-strength and damping ratio uncertainties by using the Monte Carlo simulation method. For typical uncertainties in conventional steel frames, optimum design frames always exhibit considerably less inter-storey drift and cumulative damage compared to frames designed based on IBC-2012. However, it is noted that optimum structures are in general more sensitive to the random variation of storey shear-strength. It is shown that up to 50% variation in damping ratio does not affect the seismic performance of the optimum design frames compared to their code-based counterparts. Finally, the results indicate that the ground-motion uncertainty can be efficiently managed by optimizing CBFs based on the average of a set of synthetic earthquakes representing a design spectrum. Compared to code-based design structures, CBFs designed with the proposed average patterns exhibit up to 54% less maximum inter-storey drift and 73% less cumulative damage under design earthquakes. It is concluded that the optimisation procedure presented is reliable and should improve the seismic performance of CBFs.
Reinforced soil and Expanded Polystyrenes (EPS) mixture (RSEM) is a geomaterial which has many merits, such as light weight, wide strength range, easy for construction, and economic feasibility. It has been widely applied to improve soft ground, solve bridge head jump, fill cavity in pipeline and widen highway. Reutilizing dredged sediment to produce RSEM as earthfill can not only consume a large amount of waste sediment but also significantly reduce the construction cost. Therefore, there is an urgent need understand the basic stress-strain characteristics of reinforced dredged sediment-EPS mixture (RDSEM). A series of cyclic triaxial tests were then carried out on the RDSEM and control clay. The effects of cement content, EPS beads content and confining pressure on the cyclic stress-strain behaviour of RDSEM were analyzed. It is found that the three stages of dynamic stress-strain relationship of ordinary soil, vibration compaction stage, vibration shear stage and vibration failure stage are also applicative for RDSEM. The cyclic stress-strain curves of RDSEM are lower than that of control clay in the vibration compaction stage because of its high moisture content. The slopes of backbone curves of RDSEMs in the vibration shear stage are larger than that of control clay, indicating that the existence of EPS beads provides plastic resistance. With the increase of cement content, the cyclic stress-strain relationship tends to be steeper. Increasing cement content and confining pressure could improve the cyclic strength and cyclic stiffness of RDSEM.
Esen, Ismail;Alazwari, Mashhour A.;Eltaher, Mohamed A;Abdelrahman, Alaa A.
Steel and Composite Structures
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제42권6호
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pp.805-826
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2022
The free and live load-forced vibration behaviour of porous functionally graded (PFG) higher order nanobeams in the thermal and magnetic fields is investigated comprehensively through this work in the framework of nonlocal strain gradient theory (NLSGT). The porosity effects on the dynamic behaviour of FG nanobeams is investigated using four different porosity distribution models. These models are exploited; uniform, symmetrical, condensed upward, and condensed downward distributions. The material characteristics gradation in the thickness direction is estimated using the power-law. The magnetic field effect is incorporated using Maxwell's equations. The third order shear deformation beam theory is adopted to incorporate the shear deformation effect. The Hamilton principle is adopted to derive the coupled thermomagnetic dynamic equations of motion of the whole system and the associated boundary conditions. Navier method is used to derive the analytical solution of the governing equations. The developed methodology is verified and compared with the available results in the literature and good agreement is observed. Parametric studies are conducted to show effects of porosity parameter; porosity distribution, temperature rise, magnetic field intensity, material gradation index, non-classical parameters, and the applied moving load velocity on the vibration behavior of nanobeams. It has been showed that all the analyzed conditions have significant effects on the dynamic behavior of the nanobeams. Additionally, it has been observed that the negative effects of moving load, porosity and thermal load on the nanobeam dynamics can be reduced by the effect of the force induced from the directed magnetic field or can be kept within certain desired design limits by controlling the intensity of the magnetic field.
Recently, a lot of research has been done on the analysis of axial vibrations of homogeneous and FG nanotubes (nanorods) with various aspects of vibrations that have been fully mentioned in history. However, there is a lack of investigation of the dynamic internal resonances of FG nanotubes (nanorods) between them. This is one of the essential or substantial characteristics of nonlinear vibration systems that have many applications in various fields of engineering (making actuators, sensors, etc.) and medicine (improving the course of diseases such as cancers, etc.). For this reason, in this study, for the first time, the dynamic internal resonances of FG nanorods in the simultaneous presence of large-amplitude size dependent behaviour, inertial and shear effects are investigated for general state in detail. Such theoretical patterns permit as to carry out various numerical experiments, which is the key point in the expansion of advanced nano-devices in different sciences. This research presents an AFG novel nano resonator model based on the axial vibration of the elastic nanorod system in terms of derivation from large-amplitude size dependent internal modals interactions. The Hamilton's Principle is applied to achieve the basic equations in movement and boundary conditions, and a harmonic deferential quadrature method, and a multiple scale solution technique are employed to determine a semi-analytical solution. The interest of the current solution is seen in its specific procedure that useful for deriving general relationships of internal resonances of FG nanorods. The numerical results predicted by the presented formulation are compared with results already published in the literature to indicate the precision and efficiency of the used theory and method. The influences of gradient index, aspect ratio of FG nanorod, mode number, nonlinear effects, and nonlocal effects variations on the mechanical behavior of FG nanorods are examined and discussed in detail. Also, the inertial and shear traces on the formations of internal resonances of FG nanorods are studied, simultaneously. The obtained valid results of this research can be useful and practical as input data of experimental works and construction of devices related to axial vibrations of FG nanorods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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