Bo Zhang;Jiancheng Zhang;Piaoyang Zhu;Jinglong Li;Biao Li;Haibo Li
Geomechanics and Engineering
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v.39
no.1
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pp.43-54
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2024
Cross-flaws are frequently encountered in practical rock engineering projects near horseshoe-shaped cavities, and their presence can significantly impact the failure mode of these cavities. This study utilizes a combination of laboratory experiments and numerical simulations to investigate the influence of cross-flaws on the failure mode of a horseshoe-shaped cavity. During the experimental tests, we varied the length of secondary flaw and the angle of the cross-flaws in the specimens, followed by subjecting them to biaxial compression. Our experimental results show that when the angle α between the primary and the secondary flaws is small (0° and 45°), only one crack is initiated at the vault of the cavity, resulting in a shear failure mode. Conversely, when the angle α is large (90° and 135°), two cracks are more likely to initiate at the vault of the cavity, leading to the failure mode of falling blocks in the surrounding rock. Furthermore, the circumferential stress at the cavity vault from numerical simulations results is consistent with this observed phenomenon. When the angle α is small, only one circumferential tensile stress concentration is observed at the cavity vault, resulting in the initiation of a single crack. In contrast, when the angle α is large, two stress concentrations appear at the vault of the cavity, leading to the initiation of two cracks from these locations.
Borzoo, Shahin;Ghaderi, Seyed Rasoul Mir;Mohebi, Saeed;Rahimzadeh, Ali
Steel and Composite Structures
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v.22
no.1
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pp.79-89
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2016
Cold formed steel shear panel is one of the main components to bearing lateral load in low and mid-rise cold formed steel structures. This paper uses finite element analysis to evaluate the stiffness, strength and failure mode at cold formed steel shear panels whit steel sheathing and nonlinear connections that are under monotonic loading. Two finite element models based on two experimental model whit different failure modes is constructed and verified. It includes analytical studies that investigate the effects of studs and steel sheathing thickness changes, fasteners spacing at panel edges, one or two sides steel sheathing and height-width ratio of wall on the lateral load capacity. Dominant failure modes include buckling of steel sheet, local buckling in boundary studs and sheet unzipping in the bottom half of the wall.
Kosmidou, Parthena-Maria K.;Chalioris, Constantin E.;Karayannis, Chris G.
Computers and Concrete
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v.22
no.6
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pp.573-592
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2018
An analytical methodology for the calculation of the flexural and the shear capacity of concrete members with Fibre-Reinforced-Polymer (FRP) bars as tensional reinforcement is proposed. The flexural analysis is initially based on the design provisions of ACI 440.1R-15 which have properly been modified to develop general charts that simplify computations and provide hand calculations. The specially developed charts include non-dimensional variables and can easily be applied in sections with various geometrical properties, concrete grade and FRP properties. The proposed shear model combines three theoretical considerations to facilitate calculations. A unified flexural/shear approach is developed in flow chart which can be used to estimate the ultimate strength and the expected failure mode of a concrete beam reinforced with longitudinal FRP bars, with or without transverse reinforcement. The proposed methodology is verified using existing experimental data of 138 beams from the literature, and it predicts the load-bearing capacity and the failure mode with satisfactory accuracy.
Accurately predicting the failure modes of reinforced concrete (RC) columns is essential for structural design and assessment. In this study, the challenges of imbalanced datasets and complex feature selection in machine learning (ML) methods were addressed through an optimized ML approach. By combining feature selection and oversampling techniques, the prediction of seismic failure modes in rectangular RC columns was improved. Two feature selection methods were used to identify six input parameters. To tackle class imbalance, the Borderline-SMOTE1 algorithm was employed, enhancing the learning capabilities of the models for minority classes. Eight ML algorithms were trained and fine-tuned using k-fold shuffle split cross-validation and grid search. The results showed that the artificial neural network model achieved 96.77% accuracy, while k-nearest neighbor, support vector machine, and random forest models each achieved 95.16% accuracy. The balanced dataset led to significant improvements, particularly in predicting the flexure-shear failure mode, with accuracy increasing by 6%, recall by 8%, and F1 scores by 7%. The use of the Borderline-SMOTE1 algorithm significantly improved the recognition of samples at failure mode boundaries, enhancing the classification performance of models like k-nearest neighbor and decision tree, which are highly sensitive to data distribution and decision boundaries. This method effectively addressed class imbalance and selected relevant features without requiring complex simulations like traditional methods, proving applicable for discerning failure modes in various concrete members under seismic action.
Cast in situ and grouted concrete helical piles with 150-200 mm diameter half cylindrical ribs have become an economical and effective choice in Shanghai, China for uplift piles in deep soft soils. Though this type of pile has been successful used in practice, the reinforcing mechanism and the contribution of the ribs to the total resistance is not clear, and there is no clear guideline for the design of such piles. To study the inclusion of ribs to the contribution of shear resistance, the shear behaviour between silty sand and concrete slabs with parallel ribs at different spacing and angles were tested in a large direct shear box ($600mm{\times}400mm{\times}200mm$). The front panels of the shear box are detachable to observe the soil deformation after the test. The tests were modelled with three-dimensional finite element method in ABAQUS. It was found that, passive zones can be developed ahead of the ribs to form undulated failure surfaces. The shear resistance and failure mode are affected by the ratio of rib spacing to rib diameter. Based on the shape and continuity of the failure zones at the interface, the failure modes at the interface can be classified as "punching", "local" or "general" shear failure respectively. With the inclusion of the ribs, the pull out resistance can increase up to 17%. The optimum rib spacing to rib diameter ratio was found to be around 7 based on the observed experimental results and the numerical modelling.
An experimental program was carried out to investigate the influence of fibre reinforcement on the mechanical behaviour of high strength reinforced concrete beams. Eighteen beams, loaded in four-point bending tests, were examined by applying monotonically increasing controlled displacements and recording the response in terms of load-deflection curves up to failure. The major test variables were the volume fraction of steel fibres and the transverse steel amount for two different values of shear span. The contribution of the stirrups to the shear strength was derived from the deformations of their vertical legs, measured by means of strain gauges. The structural response of the tested beams was analyzed to evaluate strength, stiffness, energy absorption capacity and failure mode. The experimental results and observed behaviour are in good agreement with those obtained by other authors, confirming that an adequate amount of steel fibres in the concrete can be an alternative solution for minimizing the density of transverse reinforcement. However, the paper shows that the use of different theoretical or semi-empirical models, available in literature, leads to different predictions of the ultimate load in the case of dominant shear failure mode.
Dan, Saikat;Chaudhary, Manpreet;Barai, Sudhirkumar V.
Computers and Concrete
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v.21
no.3
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pp.321-333
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2018
Flat-slabs, being a significant structural component, not only reduce the dead load of the structure but also reduce the amount of concrete required for construction. Moreover the use of recycled aggregates lowers the impact of large scale construction to nearby ecosystems. Recycled aggregate based concrete being a quasi-brittle material shows enormous cracking during failure. Crack growth in flat-slabs is mostly in sliding mode (Mode II). Therefore sufficient sections need to be provided for resistance against such failure modes. The main objective of the paper is to numerically determine the ultimate load carrying capacity of two self-similar flat-slab specimens and validate the results experimentally for the natural aggregate as well as recycled aggregate based concrete. Punching shear experiments are carried out on circular flat-slab specimen on a rigid circular knife-edge support built out of both normal (NAC) and recycled aggregate concrete (RAC, with full replacement). Uniaxial compression and bending tests have been conducted on cubes, cylinders and prisms using both types of concrete (NAC and RAC) for its material characterization and use in the numerical scheme. The numerical simulations have been conducted in ABAQUS (a known finite element software package). Eight noded solid elements have been used to model the flat slab and material properties have been considered from experimental tests. The inbuilt Concrete Damaged Plasticity model of ABAQUS has been used to monitor crack propagation in the specimen during numerical simulations.
Sasmal, Saptarshi;Vishnu Pradeesh, L.;Devi, A. Kanchana;Ramanjaneyulu, K.
Advances in Computational Design
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v.1
no.1
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pp.61-77
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2016
Seismic performance of structures depends on the force flow mechanism inside the structure. Discontinuity regions, like beam-column joints, are often affected during earthquake event due to the complex and discontinuous load paths. The evaluation of shear strength and identification of failure mode of the joint region are helpful to (i) define the strength hierarchy of the beam-column sub-assemblage, (ii) quantify the influence of different parameters on the behaviour of beam-column joint and, (iii) develop suitable and adequate strengthening scheme for the joints, if required, to obtain the desired strength hierarchy. In view of this, it is very important to estimate the joint shear strength and identify the failure modes of the joint region as it is the most critical part in any beam-column sub-assemblage. One of the most effective models is softened strut and tie model which was developed by incorporating force equilibrium, strain compatibility and constitutive laws of cracked reinforced concrete. In this study, softened strut and tie model, which incorporates force equilibrium equations, compatibility conditions and material constitutive relation of the cracked concrete, are used to simulate the shear strength behaviour and to identify failure mechanisms of the beam-column joints. The observations of the present study will be helpful to arrive at the design strategy of the joints to ensure the desired failure mechanism and strength hierarchy to achieve sustainability of structural systems under seismic loading.
Current Design Codes for Reinforced Concrete (RC) interior beam-column joints are based on limited experimental studies on the seismic behavior of eccentric joints. To supplement existing information, an experimental study was conducted that focused on the effect of eccentricity of the deeper beams with respect to the shallow beams. A total of eight one-third scale interior joints with beams of different depths were subjected to reverse cyclic loading. The primary variables in the test specimens were the amount of joint transverse reinforcement and the cross section of the shallow beams. The overall performance of each test assembly was found to be unsatisfactory in terms of joint shear strength, stiffness, energy dissipation and shear deformation. The results indicated that the vertical eccentricity of spandrel beams in this type of joint led to lower capacity in joint shear strength and severe damage of concrete in the joint core. Increasing the joint shear reinforcement was not effective to alter the failure mode from joint shear failure to beam yielding which is favorable for earthquake resistance design, whereas it was effective to reduce the crack width at the small loading stages. Based on the observed behavior, the shear stress of the joint core was suggested to be kept as low as possible for a safe and practical design of this type of joint.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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