The interaction between steel tube and concrete core is the key design considerations for concrete-filled steel tube columns. In a concrete-filled steel tube (CFST) column, the steel tube provides confinement to the concrete core which permits the composite action among the steel tube and the concrete. Due to construction faults and plastic shrinkage of concrete, the debonding separation at the steel-concrete interface weakens the confinement effect, and hence affects the behaviour and bearing capacity of the composite member. This study investigates the axial loading behavior of the concrete filled circular steel tube columns with debonding separation. A three-dimensional nonlinear finite element model of CFST composite columns with introduced debonding gap was developed. The results from the finite element analysis captured successfully the experimental behaviours. The calibrated finite element models were then utilized to assess the influence of concrete strength, steel yield stress and the steel-concrete ratio on the debonding behaviour. The findings indicate a likely significant drop in the load carrying capacity with the increase of the size of the debonding gap. A design formula is proposed to reduce the load carrying capacity with the presence of debonding separation.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.928-933
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2004
The vibration characteristic is a primary design factor. The cylindrical shells are used as a primary components of complex structure. also, The cylindrical shells have oblique angle. In this study, The vibrational characteristics of steel and plain wave GFRP cylindrical shell with an oblique end are given by experimental and finite element method. To be find characteristic of the oblique end, the mass of the cylindrical shell is maintained. Natural frequency and mode shapes of isotropic and plain weave composite shells are obtained by modal test. The results are compared with those of the finite element method. The simply supported boundary conditions with bolts along the circumferential direction of the GFRP shell are well achieved. Also, The clamped boundary conditions is applied to the steel specimen. Those are shown to agree well with the analytical results and finite element analysis results.
Fiber reinforced polymer (FRP) applications in the structural engineering field include concrete-FRP composite systems, where FRP components are either attached to or embedded into concrete structures to improve their structural performance. This paper presents the results of an analytical study conducted using finite element model (FEM) to simulate the behavior of three-points load beam reinforced with GFRP and/or steel bars. To calibrate the FEM, a small-scale experimental program was carried out using six reinforced concrete beams with $200{\times}200mm$ cross section and 1000 mm length cast and tested under three point bending load. The six beams were divided into three groups, each group contained two beams. The first group was a reference beams which was cast without any reinforcement, the second group concrete beams was reinforced using GFRP, and the third group concrete beams was reinforced with steel bars. Nonlinear finite element simulations were executed using ANSYS software package. The difference between the theoretical and experimental results of beams vertical deflection and beams crack shapes were within acceptable degree of accuracy. Parametric study using the calibrated model was carried out to evaluate two parameters (1) effect of number and position of longitudinal main bars on beam behavior; (2) performance of concrete beam with composite longitudinal reinforcement steel and GFRP bars.
The aim of the present work is to study the nonlinear behavior of the laminated composite plates under transverse sinusoidal loading using a new inverse trigonometric shear deformation theory, where geometric nonlinearity in the Von-Karman sense is taken into account. In the present theory, in-plane displacements use an inverse trigonometric shape function to account the effect of transverse shear deformation. The theory satisfies the traction free boundary conditions and violates the need of shear correction factor. The governing equations of equilibrium and boundary conditions associated with present theory are obtained by using the principle of minimum potential energy. These governing equations are solved by eight nodded serendipity element having five degree of freedom per node. A square laminated composite plate is considered for the geometrically linear and nonlinear formulation. The numerical results are obtained for central deflections, in-plane stresses and transverse shear stresses. Finite element Codes are developed using MATLAB. The present results are compared with previously published results. It is concluded that the geometrically linear and nonlinear response of laminated composite plates predicted by using the present inverse trigonometric shape function is in excellent agreement with previously published results.
In this study, 3D Meso-scale finite-element model is presented to study the mechanical behavior of steel microfiber-reinforced polymer concrete considering the random distribution of fibers in the matrix. The composite comprises two separate parts which are the polymer composite and steel microfibers. The polymer composite is assumed to be homogeneous, which its mechanical properties are measured by performing experimental tests. The steel microfiber-polymer bonding is simulated with the Cohesive Zone Model (CZM) to offer more-realistic assumptions. The CZM parameters are obtained by calibrating the numerical model using the results of the experimental pullout tests on an individual microfiber. The accuracy of the results is validated by comparing the obtained results with the corresponding values attained from testing the steel microfiber-reinforced polymer concrete incorporating 0, 1 and 2% by volume of microfibers, which indicates the excellent accuracy of the current proposed model. The results show that the microfiber aspect ratio has a considerable effect on the mechanical properties of the reinforced polymer concrete. Applying microfibers with a higher aspect ratio improves the mechanical properties of the composite considerably especially when the first crack appears in the polymer concrete specimens.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.181-183
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2002
The accurate permeability for preform is critical to model and design the impregnation of fluid resin in the composite manufacturing process. In this study, the in-plane and transverse permeability for a woven fabric are predicted numerically through the coupled flow model which combines microscopic with macroscopic flow. The microscopic and macroscopic flow which are flows within the micro-unit and macro-unit cell, respectively, are calculated by using 3-D CVFEM(control volume finite element method). To avoid checker-board pressure field and improve the efficiency on numerical computation, A new interpolation function for velocity is proposed on the basis of analytic solutions. The permeability of plain woven fabric is measured through unidirectional flow experiment and compared with the permeability calculated numerically. Based on the good agreement of the results, the relationships between the permeability and the structures of preform such as the fiber volume fraction and stacking effect can be understood. The reverse and the simple stacking are taken in account. Unlike past literatures, this study is based on more realistic unit cell and the improved prediction of permeability can be achieved. It is observed that in-plane flow is more dominant than transverse flow in the real flow through preform and the stacking effect of multi-layered preform is negligible. Consequently, the proposed coupled flow model can be applied to modeling of real composite materials processing.
In this paper, a novel hybrid composite shield to protect space structures from hypervelocity impact of micrometeoroid and space debris is proposed. The finite element model of the proposed shield was constructed and finite element analysis was conducted to approximate the energy absorption rate. Before the final model analysis, analysis of each component including the aluminum plate, PMMA plate, and intermediate layer of fabric was performed, verifying the finite element model of each component. The material properties used in the analyses were predicted material property values for high strain rates. The analysis results showed that, other than the fabric, the energy absorption rate of each component was in agreement. Afterwards, the finite element model of the hybrid composite shield was constructed, where it was analyzed for the restrained and unrestrained fabric boundary condition cases. Through the finite element analysis, the fiber pullout mechanism was realized for the hybrid shield with free boundary inserted fabric, and it was observed that this mechanism led to energy absorption increase.
Kalgutkar, Akshay Prakash;Banerjee, Sauvik;Rajanna, T.
Steel and Composite Structures
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v.42
no.4
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pp.427-446
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2022
Cutouts in the beams or plates are often unavoidable due to inspection, maintenance, ventilation, structural aesthetics purpose, and sometimes to lighten the structures. Therefore, there will be a substantial reduction in the strength of the structure due to the introduction of the cutouts. However, these cutouts can be reinforced with the different patterns of ribs (stiffener) to enhance the strength of the structure. The present study highlights the influence of the elliptical cutout reinforced with a different pattern of ribs on the stability performance of such stiffened composite panels subjected to non-uniform edge loads by employing the Finite element (FE) technique. In the present formulation, a 9-noded heterosis element is used to model the skin, and a 3-noded isoparametric beam element is used to simulate the rib that is attached around a cutout in different patterns. The displacement compatibility condition is employed between the plate and stiffener, and arbitrary orientations are taken care by introducing respective transformation matrices. The effect of shear deformation and rotary inertia are incorporated in the formulation. A new mesh configuration is developed to house the attached ribs around an elliptical cutout with different patterns. Initially, a study is performed on the panels with different stiffener schemes for various ply orientations and for different stiffener depth to width ratios (ds/bs) to determine an optimal stiffener configuration. Further, various parametric studies are conducted on an obtained optimal stiffened panel to understand the effect of cutout size, cutout orientation, panel aspect ratio, and boundary conditions. Finally, from the analysis, it can be observed that the arrangement of the stiffener attached to a panel has a major impact on the buckling capacity of the stiffened panel. The stiffener's depth to width ratio also significantly influences the buckling characteristic.
The vehicle structure of Automated People Mover(APM) made of aluminum honeycomb sandwich with WR580INF4000 glass-fabric epoxy laminate facesheets was evaluated by structural test and finite element analysis. The test of the vehicle structure was conducted according to JIS E 7105. The structural integrity of vehicle structure was evaluated by stress, deflection and natural frequency obtained from dial-gauge and acceleration sensor. And the proposed finite element models were compared with the results of structural test. The results of finite element analysis showed good agreement with those of structural test. Also, in order to improve the stiffness of vehicle structure, the modified underframe model with reinforced side sill was proposed in design stage. The composite vehicle structures with modified underframe model had the improved structural stiffness about 44%.
The composite plate to upgrade structures and, in particular, to extend the lives of reinforced concrete beams has wide applications. One of the main aspects of the bonded strengthening technology is the stress analysis of the reinforced structure. In particular, reliable evaluation of the adhesive shear stress and of the stress in the composite plates is mandatory in order to predict the beam's failure load. In this paper, a finite element analysis is presented to calculate the stresses in the reinforced beam under mechanical loads. The numerical results was compared with the analytical approach, and a parametric study was carried out to show how the maximum stresses have been influenced by the material and geometry parameters of the composite beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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