Composite steel-concrete structures are employed extensively in modern high rise buildings and bridges. This concept has achieved wide spread acceptance because it guarantees economic benefits attributable to reduced construction time and large improvements in stiffness. Even though the combination of steel and concrete enhances the strength and stiffness of composite beams, the time-dependent behaviour of concrete may weaken the strength of the shear connection. When the concrete loses its strength, it will transfer its stresses to the structural steel through the shear studs. This behaviour will reduce the strength of the composite member. This paper presents the development of an accurate finite element model using ABAQUS to study the behaviour of shear connectors in push tests incorporating the time-dependent behaviour of concrete. The structure is modelled using three-dimensional solid elements for the structural steel beam, shear connectors, concrete slab and profiled steel sheeting. Adequate care is taken in the modelling of the concrete behaviour when creep is taken into account owing to the change in the elastic modulus with respect to time. The finite element analyses indicated that the slip ductility, the strength and the stiffness of the composite member were all reduced with respect to time. The results of this paper will prove useful in the modelling of the overall composite beam behaviour. Further experiments to validate the models presented herein will be conducted and reported at a later stage.
A calculation method was presented to calculate the deflection of GFRP-concrete-steel beams with full or partial shear connections. First, the sectional analysis method was improved by considering concrete nonlinearity and shear connection stiffness variation along the beam direction. Then the equivalent slip strain was used to take into consideration of variable cross-sections. Experiments and nonlinear finite element analysis were performed to validate the calculation method. The experimental results showed the deflection of composite beams could be accurately predicted by using the theoretical model or the finite element simulation. Furthermore, more finite element models were established to verify the accuracy of the theoretical model, which included different GFRP plates and different numbers of shear connectors. The theoretical results agreed well with the numerical results. In addition, parametric studies using theoretical method were also performed to find out the effect of parameters on the deflection. Based on the parametric studies, a simplified calculation formula of GFRP-concrete-steel composite beam was exhibited. In general, the calculation method could provide a more accurate theoretical result without complex finite element simulation, and serve for the further study of continuous GFRP-concrete-steel composite beams.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.7
no.1
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pp.106-117
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2006
The active vibration control of composite shell structure has been performed with the optimized sensor/actuator system. For the design of sensor/actuator system, a method based on finite element technique is developed. The nine-node Mindlin shell element has been used for modeling the integrated system of laminated composite shell with PVDF sensor/actuator. The distributed selective modal sensor/actuator system is established to prevent the effect of spillover. Electrode patterns and lamination angles of sensor/actuator are optimized using genetic algorithm. Continuous electrode patterns are discretized according to finite element mesh, and orientation angle is encoded into discrete values using binary string. Sensor is designed to minimize the observation spillover, and actuator is designed to minimize the system energy of the control modes under a given initial condition. Modal sensor/actuator for the first and the second mode vibration control of singly curved cantilevered composite shell structure are designed with the method developed on the finite element method and optimization. For verification, the experimental test of the active vibration control is performed for the composite shell structure. Discrete LQG method is used as a control law.
Present study deals with the development of finite element based solution methodology to investigate active control of dynamic response of delaminated composite shells with piezoelectric sensors and actuators. The formulation is based on first order shear deformation theory and an eight-noded isoparametric element is used. A coupled piezoelectric-mechanical formulation is used in the development of the constitutive equations. For modeling the delamination, multipoint constraint algorithm is incorporated in the finite element code. A simple negative feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effects is used to actively control the dynamic response of delaminated composite shells in a closed loop employing Newmark's time integration scheme. The validity of the numerical model is demonstrated by comparing the present results with those available in the literature. A number of parametric studies such as the locations of sensor/actuator patches, delamination size and its location, radius of curvature to width ratio, shell types and loading conditions are carried out to understand their effect on the transient response of piezoceramic delaminated composite shells.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.04a
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pp.89-92
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2000
In this paper, an effective procedure is presented for the local recovery of displacements and stresses in multilayered composite panels, which incorporate the local refinement using mesh superposition. The mesh superposition method is used to refine the global coarse mesh by superimposing refined mesh to the localized zone of interest without transition zones. The finite element model used is a solid element based on the Hellinger-Reissner variational principle. The a posteriori computation of the through-the-thickness distributions of displacements and stresses is achieved using a predictor-corrector procedure. The procedure utilizes the superconvergent stresses and nodal displacements of the finite element patch. The element patch is generated by locally superimposing a refined local mesh to the coarse global mesh.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.17-21
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2002
A finite element method based on the two-dimensional progressive failure analysis is presented for characterizing the strength and failure of the unidirectional-fabric hybrid laminated composite joints under pin loading. The 8-node laminated shell element is incorporated in the updated Lagrangian formulation. Various failure criteria including the maximum stress, Tsai-Wu, Yamada-Sun, and combinations of them are used in conjunction with the complete unloading stiffness degradation method. For the verification, joint tests are conducted for the specimens with various geometries. Although there are some differences depending on the geometry, the finite element model using the Yamada-Sun or the combined Yamada-Sun and Tsai-Wu criterion predicts the failure strength best.
The vibration characteristics of post-buckled laminated composite doubly curved shells are investigated. The finite element method is used for the analysis of post-buckling and free vibration of post-buckled laminated shells. The geometric non-linear finite element model includes the general non-linear terms in the strain-displacement relationships. The shell geometry used in the present formulation is derived using an orthogonal curvilinear coordinate system. Based on the principle of virtual work the non-linear finite element equations are derived. Arc-length method is implemented to capture the load-displacement equilibrium curve. The vibration characteristics of post-buckled shell are performed using tangent stiffness obtained from the converged deflection. The code is first validated and then employed to generate numerical results. Parametric studies are performed to analyze the snapping and vibration characteristics. The relationship between loads and fundamental frequencies and between loads and the corresponding displacements are determined for various parameters such as thickness ratio and shallowness.
Considering the randomness of material parameters in the laminated composite plate, a scheme of stochastic finite element method to analyze the displacement response variability is suggested. In the formulation we adopted the concept of the weighted integral where the random variable is defined as integration of stochastic field function multiplied by a deterministic function over a finite element. In general the elastic modulus of composite materials has distinct value along an individual axis. Accordingly, we need to assume 5 material parameters as random. The correlations between these random parameters are modeled by means of correlation functions, and the degree of correlation is defined in terms of correlation coefficients. For the verification of the proposed scheme, we employ an independent analysis of Monte Carlo simulation with which statistical results can be obtained. Comparison is made between the proposed scheme and Monte Carlo simulation.
In this study, free vibration analysis of laminated composite parabolic thick plate frames by using finite element method is introduced. Governing equations of an eigenvalue problem are obtained from First Order Shear Deformation Theory (FSDT). Finite element method is employed to obtain natural frequency values from the governing differential equations. The frames consist of two flat square plates and one singly curved plate. Parameters like radii of curvature, aspect ratio, ply orientation and boundary conditions are investigated to understand their effect on dynamic behavior of such a structure. In addition, multi-bay structures of such geometry with different stacking order are also taken into account. The composite frame structures are also modeled and simulated via ANSYS to verify the accuracy of the present study.
This paper presents a mechanical model of a "tapered composite shaft" rotating at a constant speed around its axis. The spatial equations of motion are solved using the Lagrange technique, and a finite element approach is employed to construct the model. Theoretical analysis is used to compute the kinetic and strain energies. A comparison is made between conventional finite element methods and hierarchical finite element methods, indicating that the former uses fewer elements and provides higher accuracy in determining natural frequencies. Numerical calculations are performed to determine the eigen frequencies and critical speeds of the rotating composite shaft. The critical speeds of composite shaft systems are compared with existing literature to validate the proposed model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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