Yousefi, Amir M.;Lim, James B.P.;Uzzaman, Asraf;Lian, Ying;Clifton, G. Charles;Young, Ben
Steel and Composite Structures
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v.21
no.3
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pp.629-659
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2016
In cold-formed stainless steel lipped channel-sections, web openings are becoming increasingly popular. Such openings, however, result in the sections becoming more susceptible to web crippling, especially under concentrated loads applied near the web opening. This paper presents the results of a finite element parametric study into the effect of circular web openings on the web crippling strength of cold-formed stainless steel lipped channel-sections for the interior-one-flange (IOF) loading condition. This involves a bearing load applied to the top flange of a length of member, away from the end supports. The cases of web openings located centred beneath the bearing load (i.e. beneath the bearing plate delivering the load) and offset to the bearing plate, are considered. Three grades of stainless steel are considered: duplex EN1.4462, austenitic EN1.4404 and ferretic EN1.4003. In total, 2218 finite element models were analyzed. From the results of the parametric study, strength reduction factors for load bearing capacity are determined, where these reduction factors are applied to the bearing capacity calculated for a web without openings, to take account the influence of the web openings. The strength reduction factors are first compared to equations recently proposed for cold-formed carbon steel lipped channel-sections. It is shown that for the case of the duplex grade, the strength reduction factor equations for cold-formed carbon steel are conservative but only by 2%. However, for the cases of the austentic and ferritic grades, the cold-formed carbon steel equations are around 9% conservative. New strength reduction factor equations are proposed for all three stainless steel grades.
In this study, the effects of cross beams on the lateral distribution of live loads in composite rolled H-beam girder bridges, were investigated through three-dimensional finite element analysis. The parameters considered in this study were the inertial moment ratio between the main girder and the cross beam, the presence of the cross beam, and the number of cross beams. The live load lateral distribution factors were investigated through finite element analysis and the customary grid method. The results show that there was no difference between the bridge models with and without a cross beam. The cross beam of the beam and frame types also showed almost the same live load lateral distribution factors. However, the finite element analysis showed that the concrete slab deck plays a major role in the lateral distribution of a live load, and consequently, the effect of the cross beam is not so insignificant that it can be neglected.
A single plate shear connection, or shear tab, is a very popular shear connection due to its merit in ease of construction and material economy. However, problems in understanding the connection behavior, both in terms of strength and ductility, have been well-documented. Suggestions or design model for single plate connections in AISC Design Manual have been altered several times, with the latest edition settling down to giving designers pre-calculated design strength tables if the connection details agree with given configurations. Results from many full-scale tests and finite element models in the past suggest that shear strength of a bolt group in single plate shear connections might be affected by yield strength of plate material; therefore, this research was aimed to investigate and clarify effects of plate yield strength and thickness on shear strength of the bolt group in the connections, including the validity of using a plate thickness/bolt diameter ratio ($t_p/d_b$) in design, by using finite element models. More than 20 models have been created by using ABAQUS program with 19.0- and 22.2-mm A325N bolts and A36 and Gr.50 plates with various thicknesses. Results demonstrated that increase of plate thickness or plate yield strength, with the $t_p/d_b$ ratio remained intact, could significantly reduce shear strength of the bolt group in the connection as much as 15 percent. Results also confirmed that the $t_p/d_b$ ratio is a valid indicator to be used for guaranteeing strength sufficiency. Because the actual ratio recommended by AISC Design Manual is $t_p/d_b$ + 1.6 (mm) for connections with a number of bolts less than six and plate yield strength in construction is normally higher than the nominal value used in design, it is proposed that shear strength of a bolt group in single plate connections with a number of bolts equal or greater than seven be reduced by 15 percent and the $t_p/d_b$ ratio be limited to 0.500.
Vivar-Perez, Juan M.;Duczek, Sascha;Gabbert, Ulrich
Smart Structures and Systems
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v.13
no.4
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pp.587-614
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2014
In recent years the interest in online monitoring of lightweight structures with ultrasonic guided waves is steadily growing. Especially the aircraft industry is a driving force in the development of structural health monitoring (SHM) systems. In order to optimally design SHM systems powerful and efficient numerical simulation tools to predict the behaviour of ultrasonic elastic waves in thin-walled structures are required. It has been shown that in real industrial applications, such as airplane wings or fuselages, conventional linear and quadratic pure displacement finite elements commonly used to model ultrasonic elastic waves quickly reach their limits. The required mesh density, to obtain good quality solutions, results in enormous computational costs when solving the wave propagation problem in the time domain. To resolve this problem different possibilities are available. Analytical methods and higher order finite element method approaches (HO-FEM), like p-FEM, spectral elements, spectral analysis and isogeometric analysis, are among them. Although analytical approaches offer fast and accurate results, they are limited to rather simple geometries. On the other hand, the application of higher order finite element schemes is a computationally demanding task. The drawbacks of both methods can be circumvented if regions of complex geometry are modelled using a HO-FEM approach while the response of the remaining structure is computed utilizing an analytical approach. The objective of the paper is to present an efficient method to couple different HO-FEM schemes with an analytical description of an undisturbed region. Using this hybrid formulation the numerical effort can be drastically reduced. The functionality of the proposed scheme is demonstrated by studying the propagation of ultrasonic guided waves in plates, excited by a piezoelectric patch actuator. The actuator is modelled utilizing higher order coupled field finite elements, whereas the homogenous, isotropic plate is described analytically. The results of this "semi-analytical" approach highlight the opportunities to reduce the numerical effort if closed-form solutions are partially available.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.20
no.6
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pp.703-713
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2011
In this study, to minimize trial and error in the design and manufacturing processes of a high-precision large-surface micro-grooving machine which is able to fabricate the molds for 42 inch LCD light guide panels, the effects of the structural deformation of the micro-grooving machine according to the positions of the X-axis, Y-axis and Z-axis feed systems were examined on the tool tip displacement errors associated with the machining accuracy. The virtual prototype (finite element model) of the micro-grooving machine was constructed to include the joint stiffnesses of the hydrostatic bearings, hydrostatic guideways and linear motors, and then the tool tip displacement errors were measured from the virtual prototype. Especially, to establish the prediction model of the tool tip displacement errors, which was constructed using the positions of the X-axis, Y-axis and Z-axis feed systems as independent variables, the response surface method based on the central composite design was introduced. The reliability of the prediction model was verified by the fact that the tool tip displacement errors obtained from the prediction model coincided well those measured from the virtual prototype. And the causes of the tool tip displacement errors were identified through the analysis of interactions between the positions of the X-axis, Y-axis and Z-axis feed systems.
In this study, the strength of spatially reinforced composites (SRC) are predicted by using stiffness reduction for each structural element composed of a rod stiffness in each direction and a matrix stiffness proportional to its rod volume fraction. Maximum failure strain criteria is applied to rod failure, and modified Tsai-Wu failure criteria to matrix failure. The material properties composed of the tensile failure strain of a rod, the compressive failure strain of 3D SRC, the tensile and compressive strength of the 3D SRC in the $45^{\cir}$ rotated direction from a rod and the shear strength of the 3D SRC are measured to predict the SRC strength. The strength distributions of the 3D/4D SRC in rod and off-rod direction have the largest and the smallest values, respectively. A variable load step is selected to increase an efficiency of strength distribution calculation. Uniform load step is applied when a load history is needed. The results of compressive strength from analysis and experiment show the 18 % difference though the initial slop is coincident with each other.
Stress distributions dependent on fiber arrangements are studied using the two-dimensional representative volume element (RVE) model for uni-directionally continuous fiber-reinforced composites subjected to transverse tensile loading. It is easily expected that the stresses around the fibers are concentrated mainly due to the stiffness mismatch between the fiber and matrix materials. In this presentation, it is shown that the stresses are not always increased although the distance between two fibers is shortened. The 2D RVE models, originally having a regular hexagonal fiber array, is utilized to study the effect of the fiber locations on the stress distributions. As the central fiber is relocated, the stress distributions around the fiber are obtained through finite element analysis. It is found that the stresses around the fiber are strongly dependent on the fiber distance as well as the angle between the loading direction and the line connecting two fibers.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.1
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pp.9-19
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1989
The impact stress and wave propagation of graphite/epoxy and glass/epoxy laminates subjected to the transverse low-velocity impact of steel balls are investigated theoretically. A plate finite element model based on Whitney and Pagano's theory for the analysis of heterogeneous and anisotropic plates taking into account of the transverse shear deformation is used for the theoretical investigation. This model is in conjuction with static contact laws. The basic element is a four-node quadrilateral with the five degrees-of-freedom per node. The reduced integration technique is used for shear locking associated with low-order function in application to thin plates. These two materials are composed of [0.deg./45.deg./0.deg./-45.deg./0.deg.]$_{2S}$ and [90.deg./45.deg./90.deg./-45.deg./90.deg.]$_{2S}$ stacking sequences and have clamped-clamped boundary conditions. Finally, the present results are compared with an existing solution and wave propagation theory and then impact stress and wave propagation phenomena are investigated.gated.
Journal of Dental Rehabilitation and Applied Science
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v.25
no.1
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pp.1-12
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2009
The objective of this study was to test the effects of crown material, cement type, the direction in which stress is applied and distribution of luting cement that might lead to cement microfracture using 2D Finite Element Method. Twenty three finite element models with a chamfer margin configuration were generated for a mandibular first molar. Crown models exhibited four crown materials: type 3 gold alloy, Ni-Cr alloy, ceramic and composite resin, and two luting cements: zinc phosphate and glass ionomer cements with a thicknesses of $70{\mu}m$. Modeled crowns were loaded axially or obliquely at unit load of 1 N. Areas and levels of stress concentrations within the cement were determined. Stress in the cement layer at the margins of crowns were higher than those in the area away from the margin. Stress under oblique loads were much higher than under axial load. The stiffer crown material produced higher stress and similarly, higher stress were found in cements with the greater Young's modulus.
Ahangarnazhad, Bita Hosseinian;Pourbaba, Masoud;Afkar, Amir
Steel and Composite Structures
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v.35
no.4
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pp.463-474
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2020
In this paper, the influence of adding multi-walled carbon nanotube (MWCNT) on the pull behavior of steel and GFRP bars in ultra-high-performance concrete (UHPC) was examined experimentally and numerically. For numerical analysis, 3D nonlinear finite element modeling (FEM) with the help of ABAQUS software was used. Mechanical properties of the specimens, including Young's modulus, tensile strength and compressive strength, were extracted from the experimental results of the tests performed on standard cube specimens and for different values of weight percent of MWCNTs. In order to consider more realistic assumptions, the bond between concrete and bar was simulated using adhesive surfaces and Cohesive Zone Model (CZM), whose parameters were obtained by calibrating the results of the finite element model with the experimental results of pullout tests. The accuracy of the results of the finite element model was proved with conducting the pullout experimental test which showed high accuracy of the proposed model. Then, the effect of different parameters such as the material of bar, the diameter of the bar, as well as the weight percent of MWCNT on the bond behavior of bar and UHPC were studied. The results suggest that modifying UHPC with MWCNT improves bond strength between concrete and bar. In MWCNT per 0.01 and 0.3 wt% of MWCNT, the maximum pullout strength of steel bar with a diameter of 16 mm increased by 52.5% and 58.7% compared to the control specimen (UHPC without nanoparticle). Also, this increase in GFRP bars with a diameter of 16 mm was 34.3% and 45%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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