This paper presents an experimental and a numerical investigation of a H-beam - composite box column joint fabricated with two new inner diaphragms and a continuous inner diaphragm. The main objective of the current research project is to investigate the structural performance of the newly developed inner diaphragms under a cyclic loading protocol. Hysteretic behaviour of the composite joints is analysed to investigate the structural performance of the new and continuous inner diaphragms. This paper compares the result of the finite element (FE) models with the new and continuous inner diaphragms against their counterpart experimental results. To produce a design criterion for the newly developed inner diaphragms, yielding or failure area of the inner diaphragms under tensile stress is analysed from the FE results.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.18
no.2
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pp.61-68
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2022
Accurate evaluation of residual stress is important for stress corrosion cracking assessment. In this paper, electron beam welding experiment is simulated via finite element analysis and the sensitivity of the parameters related to the combined heat source model is investigated. Predicted residual stresses arecompared with measured residual stresses. It is found that the welding efficiency affects the size of the tensile residual stress area and the magnitude of maximum longitudinal residual stress. It is also found that the parameter related to the ratio of energy distributed to the two-dimensional heat source has little effect on the size of tthe tensile residual stress area, but affects the size of the longitudinal residual stress in the center of the weld.
Existing reinforced concrete (RC) beams can be strengthened with externally bolted steel plates to the sides of beams. The effectiveness of this type of bolted side-plate (BSP) beam can however be affected by partial interaction between the steel plates and RC beams due to the mechanical slip of bolts. To avoid over-estimation of the flexural strength and ensure accurate prediction of the load-deformation response of the beams, the effect of partial interaction has to be properly considered. In this paper, a special non-linear macro-finite-element model that takes into account the effects of partial interaction is proposed. The RC beam and the steel plates are modelled as two different elements, interacting through discrete groups of bolts. A layered method is adopted for the formulation of the RC beam and steel plate elements, while a special non-linear model based on a kinematic hardening assumption for the bolts is used to simulate the bolt group effect. The computer program SiBAN was developed based on the proposed approach. Comparison with the available experimental results shows that SiBAN can accurately predict the partial interaction behaviour of the BSP beams. Further numerical simulations show that the interaction between the RC beam and the steel plates is greatly reduced by the formation of plastic hinges and should be considered in analyses of the strengthened beams.
Severe fatigue and noise problems of modular bridge expansion joints (MBEJs) are often induced by vehicle loads. However, the dynamic characteristics of single-support MBEJs have yet to be further investigated. To better understand the vibration mechanism of single-support MBEJs under vehicle loads, a 3D finite element model of single-support MBEJ with five center beams is built. Successive vehicle loads are given out and the vertical dynamic responses of each center beams are analyzed under the successive loads. Dynamic amplification factors (DAFs) are also calculated along with increasing vehicle velocities from 20 km/h to 120 km/h with an interval 20 km/h. The research reveals the vibration mechanism of the single-support MBEJs considering coupled center beam resonance, which shows that dynamic responses of a given center beam will be influenced by the neighboring center beams due to their rebound after the vehicle wheels depart. Maximal DAF 1.5 appears at 120 km/h on the second center beam. The research results can be utilized for reference in the design, operation and maintenance of single-support MBEJs.
In this study, in-situ static and dynamic tests of four pre-stressed concrete (PC) track beams with different span lengths and curvatures in a straddle monorail transit system were reported. In the static load tests, the strain and deflection at critical sections of the PC track beams were measured to determine the load bearing capacity and stiffness. The dynamic responses of strain, deflection, acceleration, and displacement at key positions of the PC track beams were measured under different train speeds and train loads to systematically study the dynamic behaviors of the PC track beams. A three-dimensional finite element model of the track beam-vehicle coupled vibration system was established to help understand the dynamic behavior of the system, and the model was verified using the test results. The research results show that the curvature, span length, train speed, and train loads have significant influence on the dynamic responses of the PC track beams. The dynamic performance of the PC track beams in the curve section is susceptible to dynamic loads. Appropriate train loads can effectively reduce the impact of the train on the PC track beam. The PC track beams allow good riding comfort.
A variational asymptotic composite beam model has been developed for thermoelastic analysis. Composite beams, including sandwich structure and laminates, under different boundary conditions are examined. Previously developed beam model, which is based on variational-asymptotic method, is extended to incorporate temperature-dependent materials experiencing large temperature changes. The recovery relations have been derived so that the temperatures, heat fluxes, stresses, and strains can be recovered over the cross-section. The present theory is implemented into the computer program VABS (Variational Asymptotic Beam Sectional analysis). Numerical results are compared with the 3D analysis for the purpose of demonstrating advantages of the present theory and use of VABS.
The widespread damage to steel Moment Resisting Frames (MRFs) in past major earthquakes have underscored the need to understand the nonlinear inelastic behaviour of such systems. To assess the seismic performance of steel MRF, it is essential to model the nonlinear force-deformation behaviour of beam to column joints. To determine the extent of inelasticity in a beam to column joint, nonlinear finite element analysis is generally carried out, which is computationally involved and demanding. In order to obviate the need of such elaborate analyses, a simplistic method to predict the force-deformation behaviour is required. In this study, a simple, mechanics driven, hand calculation method is proposed to obtain the forcedeformation behaviour of strong axis beam to column moment joints. The force-deformation behaviour for twenty-five interior and exterior beam to column joints, having column to beam strength ratios ranging from 1.2 to 10.99 and 2.4 to 22, respectively, have been obtained. The force-deformation behaviour predicted using the proposed method is compared with the results of finite element analyses. The results show that the proposed method predicts the force-deformation behaviour fairly accurately, with much lesser computational effort. Further the proposed method has been used to conduct Nonlinear Dynamic Time History Analyses of two benchmark frames; close correspondence of results obtained with published results establishes the usefulness and computational accuracy of the method.
Yunus Dere;Yasin Onuralp Ozkilic;Ali Serdar Ecemis;Hasan Husnu Korkmaz
Steel and Composite Structures
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v.48
no.4
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pp.405-417
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2023
In order to strengthen the reinforced concrete T-beams having insufficient shear strength, several strengthening techniques are available in the literature. In this study, three different strengthening strategies were numerically studied. First one is affixing steel plates to the beam surfaces. Second one includes tightening external steel bars vertically similar to beam stirrups. The last one is simultaneous application of these two strengthening procedures which is particularly proposed in this work. Available experimental test series in the literature were handled in the study. Finite element (FE) models of reinforced concrete beam specimens having sufficient (Beam-1) and low shear capacity (Beam-2) were created within ABAQUS environment. Strengthened beams with different techniques were also modelled to reflect improved shear capacity. FE simulations made it possible to investigate parameters that were not examined during the previous experimental studies. The results of the analyses were then compared and found consistent with the experimentally obtained data. Experimental and FEM analysis results are in agreement between 1% (closest) and 6%. (maximum). Beam-2 was stregthened with 5 new porposed methods. The rate of increase in shear strength varies between 33% and 64%. It was found that, the strengthening techniques were fairly useful in improving the shear capacity of the considered girder. The model with the proposed strengthening alternative has accomplished a higher load carrying capacity, ductility and stiffness than all of the other models.
Siamak Ghadimi;Seyed Sina Kourehli;Gholamreza Zamani-Ahari
Earthquakes and Structures
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v.27
no.4
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pp.263-283
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2024
This research introduces a new composite system that utilizes multiple moving masses to identify cracks in structures resembling beams. The process starts by recording displacement time data from a set of these moving masses and converting this information into a relative time history through weighted aggregation. This relative time history then undergoes wavelet transform analysis to precisely locate cracks. Following wavelet examinations, specific points along the beam are determined as potential crack sites. These points, along with locations on the beam susceptible to cracked point due to support conditions, are marked as crack locations within the optimization algorithm's search domain. The model uses equations of motion based on the finite element method for the moving masses on the beam and employs the Runge-Kutta numerical solution within the state space. The proposed system consists of three successive moving masses positioned at even intervals along the beam. To assess its effectiveness, the method is tested on two examples: a simply supported beam and a continuous beam, each having three scenarios to simulate the presence of one or multiple cracks. Additionally, another example investigates the influence of mass speed, spacing between masses, and noise effect. The outcomes showcase the method's effectiveness and efficiency in localizing crack, even in the presence of noise effect in 1%, 5% and 20%.
This is a leading study to replace the structural analysis methodology on the specific traditional joint by a numerical analysis. Tests were carried out to test the compressive methodologies with the numerical results. The Japanese larch was used as a sample. The Orthotropic property of wood was specifically considered for the finite element numerical analysis. Linear numerical analysis and non-linear numerical analysis for the BEAM element and the two SOLID elements of ANSYS were used to analyze the compressive performance. In addition, more finely divided elements were used to raise the accuracy of the numerical result. Finally, the statistically significant differences were tested between that of the analytical and numerical results. It could be concluded that the SOLID 64 element shows the most optimum result when the non-linear analysis with the more finely divided element was used. However, finely dividing of the element is a considerable time consuming process, and it is quite difficult to raise the accuracy of the non-linear numerical analysis. Therefore, if considering the vertical displacement to be of the only interest, the BEAM element is more efficient than the SOLID element because the BEAM element is reflected as a simple line, which is less time consuming and difficult in dividing the elements. But, the BEAM element cannot accurately model the knot as a strength defect factor which is an important property in the orthotropic property of wood. Therefore, the SOLID element should be used to model the strength defect factor, knot, as it can be efficiently applied on the structural size flexure member which could be more strongly effected by the knot. In addition, it is useful at times when the failure types of members are to be more closely investigated, as the SOLID element is able to examine the local stress distribution of the member. The conclusion drawn by this study is of the good concordance between analytical results and numerical results of compressive wood members, but how orthotropic properties should only be considered. The numerical analysis on the specific Korean traditional joints will be based on the current study results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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