In this research, the behavior of tube-in-tube BRBs (TiTBRBs) has been investigated. In a typical TiTBRB, the yielding core tube is located inside the outer restraining one to dissipate energy through extensive plastic deformation, while the outer restraining tube remains essentially elastic. With the aid of FE analyses, the monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been studied as individual brace elements. Subsequently, a detailed finite element model of a representative single span-single story frame equipped with such a TiTBRB has been constructed and both monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been explored under the application of the AISC loading protocol at the braced frame level. With the aid of backbone curves derived from the FE analyses, a simplified frame model has been developed and verified through comparison with the results of the detailed FE model. It has been shown that, the simplified model is capable of predicting closely the cyclic behavior of the TiTBRB frame and hence can be used for design purposes. Considering type of connection detail used in a frame, the TiTBRB member which behave satisfactorily at the brace element level under cyclic loading conditions, may suffer global buckling due to the flexural demand exerted from the frame to the brace member at its ends. The proposed TiTBRB suit tubular members of offshore structures and the application of such TiTBRB in a typical offshore platform has been introduced and studied in a single frame level using detailed FE model.
This paper presents an investigation into the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams retrofitted by ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) layers. The experimental study has been conducted in two parts. In the first part, four methods of retrofitting with UHPFRC layers in both the up and down sides of the beams have been proposed and their efficiency in the bonding of the normal concrete and ultra-high performance fiber-reinforced concrete has been discussed. The results showed that using the grooving method and the pre-casted UHPFRC layers in comparison with the sandblasting method and the cast-in-place UHPFRC layers leads to increase the load carrying capacity and the energy absorption capacity and causes high bond strength between two concretes. In the second part of the experimental study, the tests have been conducted on the beams with single UHPFRC layer in the down side and in the up side, using the effective retrofitting method chosen from the first part. The results are compared with those of non-retrofitted beam and the results of the first part of experimental study. The results showed that the retrofitted beam with two UHPFRC layers in the up and down sides has the highest energy absorption and load carrying capacity. A finite element analysis was applied to prediction the flexural behavior of the composite beams. A good agreement was achieved between the finite element and experimental results. Finally, a parametric study was carried out on full-scale retrofitted beams. The results indicated that in all retrofitted beams with UHPFRC in single and two sides, increasing of the UHPFRC layer thickness causes the load carrying capacity to be increased. Also, increases of the normal concrete compressive strength improved the cracking load of the beams.
In this work, phenolic resins containing conductive carbon fillers, such as, petroleum coke, carbon black, and graphite, were used to improve the surface heating elements by impregnating a pitch-based carbon paper. The influence of conductive carbon fillers on physicochemical properties of the carbon paper was investigated through electrical resistance measurement and thermal analysis. As a result, the surface resistance and interfacial contact resistivity of the carbon paper were decreased linearly by impregnating the carbon fillers with phenol resins. The increase of carbon filler contents led to the improvement of electrical and thermal conductivity of the carbon paper. Also, the heating characteristics of the surface heating element were examined through the applied voltage of 1~5 V. With the applied voltage, it was confirmed that the surface heating element exhibited a maximum heating characteristic of about $125.01^{\circ}C$(5 V). These results were attributed to the formation of electrical networks by filled micropore between the carbon fibers, which led to the improvement of electrical and thermal properties of the carbon paper.
Sakr, Mohammed A.;Eladly, Mohammed M.;Khalifa, Tarek;El-Khoriby, Saher
Steel and Composite Structures
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v.30
no.5
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pp.443-456
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2019
Although numerous researchers demonstrated the significant difference in performance between the various beam-to-column connection types, most of the previous studies in the area of infilled steel frames focused on the behaviour of frames with welded connections. Therefore, there is a need for conducting studies on infilled steel frames with other common connection types (extended endplate with and without rib stiffeners, flush endplate and shear connections). In this paper, firstly, a two-dimensional finite-element model simulating the cyclic response of infilled steel frames was presented. The infill-frame interaction, as well as the interactions between connections' components, were properly modelled. Using the previously-validated model, a parametric study on infilled steel frames with five different beam-to-column connection types, under cyclic loading, was carried out. Several parameters, including infill material, fracture energy of masonry and infill thickness, were investigated. The results showed that the infilled frames with welded connections had the highest initial stiffness and load-carrying capacity. However, the infilled frames with extended endplate connections (without rib stiffeners) showed the greatest energy dissipation capacity and about 96% of the load-carrying capacity of frames with welded connections which indicates that this type of connection could have the best performance among the studied connection types. Finally, a simplified analytical model for estimating the stiffness and strength of infilled steel frames (with different beam-to-column connection types) subjected to lateral cyclic loading, was suggested.
Conventional Piezoelectric Energy Harvesters (CPEH) have been extensively studied for maximizing their electrical output through material selection, geometric and structural optimization, and adoption of efficient interface circuits. In this paper, the performance of Stepped Piezoelectric Energy Harvester (SPEH) under harmonic base excitation is studied analytically, numerically and experimentally. The motivation is to compare the energy harvesting performance of CPEH and SPEHs with the same characteristics (resonant frequency). The results of this study challenge the notion of achieving higher voltage and power output through incorporation of geometric discontinuities such as step sections in the harvester beams. A CPEH consists of substrate material with a patch of piezoelectric material bonded over it and a tip mass at the free end to tune the resonant frequency. A SPEH is designed by introducing a step section near the root of substrate beam to induce higher dynamic strain for maximizing the electrical output. The incorporation of step section reduces the stiffness and consequently, a lower tip mass is used with SPEH to match the resonant frequency to that of CPEH. Moreover, the electromechanical coupling coefficient, forcing function and damping are significantly influenced because of the inclusion of step section, which consequently affects harvester's output. Three different configurations of SPEHs characterized by the same resonant frequency as that of CPEH are designed and analyzed using linear electromechanical model and their performances are compared. The variation of strain on the harvester beams is obtained using finite element analysis. The prototypes of CPEH and SPEHs are fabricated and experimentally tested. It is shown that the power output from SPEHs is lower than the CPEH. When the prototypes with resonant frequencies in the range of 56-56.5 Hz are tested at 1 m/s2, three SPEHs generate power output of 482 μW, 424 μW and 228 μW when compared with 674 μW from CPEH. It is concluded that the advantage of increasing dynamic strain using step section is negated by increase in damping and decrease in forcing function. However, SPEHs show slightly better performance in terms of specific power and thus making them suitable for practical scenarios where the ratio of power to system mass is critical.
In this study, we present a research method to develop a shoe that prevents foot injury by inducing the foot pressure. An orthogonal grid sensor was used to check the foot pressure in the upright standing position, and the change in the foot pressure distribution for various conditions was compared. We checked the conditions for distributing foot pressure efficiently by changing the spring constant of the spring inserted into the sole of the shoe and the foot pressure generated with or without the arch of the insole. In order to minimize the experimental error from the randomness of the human body's behavior, it is possible to predict through foot pressure under certain conditions through finite element analysis that simulates the pressure distribution. By checking the change of foot pressure according to the number and arrangement of springs through finite element analysis, conditions were established to provide more efficient foot pressure. The result can be used for designing footwear for patients with diabetic feet.
Post-earthquake fire is a common disaster which causes serious safety issues to infrastructures. This study aims to investigate the residual loading capacities of circular concrete-filled steel tube (CFST) columns under post-earthquake fire experimentally and numerically. The experimental programme contains two loading steps - pre-damage cyclic loading at room temperature and transient state tests with constant compression loads. Three finite element models are developed and validated against the test results. Upon validation, a total of 48 numerical results were generated in the parametric study to investigate the effects of thickness and strengths of steel tube, axial compression ratio and damage degree on the fire resistance of circular CFST columns. Based on the analysis on experimental and numerical results, the loading mechanism of circular CFST columns is discussed. A design method is proposed for the prediction of fire resistance time under different seismic pre-damage and compression loads. The predictions by the new method is compared with the newly generated experimental and numerical results and is found to be accurate and consistent with the mean value close to the unity and a coefficient of variation around 1%.
G, Beulah Gnana Ananthi;Roy, Krishanu;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.42
no.4
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pp.513-538
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2022
This paper reports on experiments addressing the buckling and collapse behavior of an innovative built-up cold-formed steel (CFS) columns. The built-up column consists of four individual CFS lipped channels, two of them placed back-to-back at the web using two self-drilling screw fasteners at specified spacing along the column length, while the other two channels were connected flange-to-flange using one self-drilling screw fastener at specified spacing along the column length. In total, 12 experimental tests are reported, covering a wide range of column lengths from stub to slender columns. The initial geometric imperfections and material properties were determined for all test specimens. The effect of screw spacing, load-versus axial shortening behaviour and buckling modes for different lengths and screw spacing were investigated. Nonlinear finite element (FE) models were also developed, which included material nonlinearities and initial geometric imperfections. The FE models were validated against the experimental results, both in terms of axial capacity and failure modes of built-up CFS columns. Furthermore, using the validated FE models, a parametric study was conducted which comprises 324 models to investigate the effect of screw fastener spacing, thicknesses and wide range of lengths on axial capacity of back-to-back and flange-to-flange built-up CFS channel sections. Using both the experimental and FE results, it is shown that design in accordance with the American Iron and Steel Institute (AISI) and Australia/New Zealand (AS/NZS) standards is slightly conservative by 6% on average, while determining the axial capacity of back-to-back and flange-to-flange built-up CFS channel sections.
Mohabeddine, Anis I.;Eshaghi, Cyrus;Correia, Jose A.F.O.;Castro, Jose M.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.447-456
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2022
Recent experimental studies showed that deep steel I-shaped profiles classified as high ductility class sections in seismic design international codes exhibit low deformation capacity when subjected to cyclic loading. This paper presents an innovative retrofit solution to increase the rotation capacity of beams using bonded carbon fiber reinforced polymers (CFRP) patches validated with advanced finite element analysis. This investigation focuses on the flexural cyclic behaviour of I-shaped hot rolled steel deep section used as beams in moment-resisting frames (MRF) retrofitted with CFRP patches on the web. The main goal of this CFRP reinforcement is to increase the rotation capacity of the member without increasing the overstrength in order to avoid compromising the strong column-weak beam condition in MRF. A finite element model that simulates the cyclic plasticity behavior of the steel and the damage in the adhesive layer is developed. The damage is modelled using the cohesive zone modelling (CZM) technique that is able to capture the crack initiation and propagation. Details on the modelling techniques including the mesh sensitivity near the fracture zone are presented. The effectiveness of the retrofit solution depends strongly on the selection of the appropriate adhesive. Different adhesive types are investigated where the CZM parameters are calibrated from high fidelity fracture mechanics tests that are thoroughly validated in the literature. This includes a rigid adhesive commonly found in the construction industry and two tough adhesives used in the automotive industry. The results revealed that the CFRP patch can increase the rotation capacity of a steel member considerably when using tough adhesives.
Compression experiments were conducted to investigate the compressive behavior of built-up open-section columns consisting of four cold-formed steel channels (BOCCFSs) of different lengths, thicknesses, and cross-section sizes (OB90 and OB140). The load-displacement curves, failure modes, and maximum compression strength values were analyzed in detail. The tests showed that the failure modes of the OB90 specimens transformed from a large deformation concentration induced by local buckling to flexural buckling with the increase in the slenderness ratio. The failure modes of all OB140 specimens were deformation concentration, except for one long specimen, whose failure mode was flexural buckling. When the slenderness ratios of the specimens were less than 55, the failure modes were controlled by local buckling. Finite element models were built using ABAQUS software and validated to further analyze the mechanical behavior of the BOCCFSs. A parametric study was conducted and used to explore a wide design space. The numerical analysis results showed that when the screw spacing was between 150 mm and 450 mm, the difference in the maximum compression strength values of the specimens was less than 4%. The applicability and effectiveness of the design methods in Chinese GB50018-2002 and AISI-S100-2016 for calculating the compression strength values of the BOCCFSs were evaluated. The prediction methods based on the assumptions produced predictions of the strength that were between 33% to 10% conservative as compared to the tests and the finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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