This paper proposes a mechanical model to describe the load-deformation responses of the reinforced concrete plate members under service load state. An Analytical method is introduced on the basis of the rotating crack model which considers equilibrium, compatibility conditions, load-strain relationship of cracked member, and constitutive law for materials. The tension stiffening effect in reinforced concrete structures is taken into account by the average tensile stress-strain relationship from the load-strain relationship for the cracked member and the constitutive law for material. The strain compatibility is used to find out the crack direction because the crack direction is an unknown variable in the equilibrium and compatibility conditions. The proposed theory is verified by the numerous experimental data such as the crack direction, moment-steel strain relationship, moment-crack width relationship. The present paper can provide some basis for the provision of the definition of serviceability for plate structures of which reinforcements are deviated from the principal stresses, because the present code defines the serviceability by the deflection, crack control, vibration and fatigue basically for the skeletal members. The proposed theory is applicable to predict the service load state behavior of a variety of reinforced concrete plate structures such as skew slab bridges, the deck of skew girder bridges.
This work investigates a thermomechanical bending analysis of functionally graded sandwich plates by proposing a novel quasi-3D type higher order shear deformation theory (HSDT). The mathematical model introduces only 5 variables as the first order shear deformation theory (FSDT). Unlike the conventional HSDT, the present one presents a novel displacement field which includes undetermined integral variables. The mechanical properties of functionally graded layers of the plate are supposed to change in the thickness direction according to a power law distribution. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic ceramic material. The governing equations for the thermomechanical bending investigation are obtained through the principle of virtual work and solved via Navier-type method. Interesting results are determined and compared with quasi-3D and 2D HSDTs. The influences of functionally graded material (FGM) layer thickness, power law index, layer thickness ratio, thickness ratio and aspect ratio on the deflections and stresses of functionally graded sandwich plates are discussed.
This paper is presented to solve the buckling problem of functionally graded truncated conical shells subjected to displacement-dependent pressure which remains normal to the shell middle surface throughout the deformation process by the semi-analytical finite strip method. Material properties are assumed to be temperature dependent, and varied continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of a ceramic and metal. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility with Sanders-type of kinematic nonlinearity. The element linear and geometric stiffness matrices are obtained using virtual work expression for functionally graded materials. The load stiffness also called pressure stiffness matrix which accounts for variation of load direction is derived for each strip and after assembling, global load stiffness matrix of the shell which may be un-symmetric is formed. The un-symmetric parts which are due to load non-uniformity and unconstrained boundaries have been separated. A detailed parametric study is carried out to quantify the effects of power-law index of functional graded material and shell geometry variations on the difference between follower and non-follower lateral buckling pressures. The results indicate that considering pressure stiffness which arises from follower action of pressure causes considerable reduction in estimating buckling pressure.
The behavior of a jointed rock mass depends mainly on the geometrical and mechanical properties of joints. The failure mode of a rock mass and kinematics of rock blocks are governed by the orientation, spacing, and persistence of joints. The mechanical properties such as dilation angle, shear strength, maximum closure, strength of asperities and friction coeffiient play important roles on the stability and deformation of the rock mass. The normal and shear behaviour of a joint are coupled due to dilation, and the joint deformation depends also on the boundary conditions such as stiffness conditons. In this paper, the joint constitutive law including the dilatant behaviour of a joint is numerically modelled using the edge-to-edge contact logic in distinct element method. Also, presented is the method to quantify the input parameters used in the joint law. The results from uniaxial compression and direct shear tests using the numeical model of the single joint were compared to the analytic results from them. The boundary effect on the behaviour of a joint is verified by comparing the results of direct shear test under constant stress boundary condition with those under constant stiffness boundary condition. The numerical model developed is applied to a complex jointed rock mass to examine its performance and to evaluate the effect of joint dilation on tunnel stability.
This study aimed to presents a simple analytical approach to investigate the thermal buckling behavior of thick functionally graded sandwich by employing both the sinusoidal shear deformation theory and stress function. The material properties of the sandwich plate faces are continuously varied within the plate thickness according to a simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The core layer is still homogeneous and made of an isotropic material. The thermal loads are considered as uniform, linear and non-linear temperature rises across the thickness direction. Numerical examples are presented to prove the effect of power law index, loading type and functionally graded layers thickness on the thermal buckling response of thick functionally graded sandwich.
The static analysis of the simply supported functionally graded plate under transverse load by using a new sinusoidal shear deformation theory based on the neutral surface concept is investigated analytically in the present paper. No transversal shear correction factors are needed because a correct representation of the transversal shearing strain is given. The mechanical properties of the FGM plate are assumed to vary continuously through the thickness according to a power law formulation except Poisson's ratio, which is kept constant. The equilibrium and stability equations are derived by employing the principle of virtual work. Results are provided for thick to thin plates and for different values of the gradient index k, which subjected to sinusoidal or uniformly distributed lateral loads. The accuracy of the present results is verified by comparing it with finite element solution. From the obtained results, it can be concluded that the proposed theory is accurate and efficient in predicting the displacements and stresses of functionally graded plates.
The novelty of this paper is the use of a simple higher order shear and normal deformation theory for bending and free vibration analysis of functionally graded material (FGM) beams on two-parameter elastic foundation. To this aim, a new shear strain shape function is considered. Moreover, the proposed theory considers a novel displacement field which includes undetermined integral terms and contains fewer unknowns with taking into account the effects of both transverse shear and thickness stretching. Different patterns of porosity distributions (including even and uneven distribution patterns, and the logarithmic-uneven pattern) are considered. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending and free vibration response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams for which properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Hamilton's principle is used to derive the governing equations of motion. Navier type analytical solutions are obtained for the bending and vibration problems. Numerical results are obtained to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, foundation parameter, the volume fraction of porosity and micromechanical models on the displacements, stresses, and frequencies.
Khadir, Adnan I.;Daikh, Ahmed Amine;Eltaher, Mohamed A.
Advances in nano research
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v.11
no.6
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pp.621-640
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2021
Effect of thickness stretching on mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) laminated nanoplates resting on elastic foundation is analyzed in this paper using a novel quasi 3D higher-order shear deformation theory. The key feature of this theoretical formulation is that, in addition to considering the thickness stretching effect, the number of unknowns of the displacement field is reduced to four, and which is more than five in the other models. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are the reinforced elements and are distributed with four power-law functions which are, uniform distribution, V-distribution, O-distribution and X-distribution. To cover various boundary conditions, an analytical solution is developed based on Galerkin method to solve the governing equilibrium equations by considering the nonlocal strain gradient theory. A modified two-dimensional variable Winkler elastic foundation is proposed in this study for the first time. A parametric study is executed to determine the influence of the reinforcement patterns, power-law index, nonlocal parameter, length scale parameter, thickness and aspect ratios, elastic foundation, thermal environments, and various boundary conditions on stresses, displacements, buckling loads and frequencies of the CNTRC laminated nanoplate.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
Shahabeddin Hatami;Mohammad J. Zarei;Seyyed H. Asghari Pari
Advances in nano research
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v.17
no.1
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pp.19-32
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2024
Functionally graded-carbon nanotube (FG-CNT) is expected to be a new generation of materials with a wide range of potential applications in technological fields such as aerospace, defense, energy, and structural industries. In this paper, an exact finite strip method for functionally graded-carbon nanotube sandwich plates is developed using first-order shear deformation theory to get the exact natural frequencies of the plates. The face sheets of the plates are made of FG-CNT with continuous and smooth grading based on the power law index. The equations of motion have been generated based on the Hamilton principle. By extracting the exact stiffness matrix for any strip of the sandwich plate as a non-algebraic function of natural frequencies, it is possible to calculate the exact free vibration frequencies. The accuracy and efficiency of the current method is established by comparing its findings to the results of the literature works. Examples are presented to prove the efficiency of the generated method to deal with various problems, such as the influence of the length-to-height ratio, the power law index, and a core-to-face sheet thickness of the single and multi-span sandwich plates with various boundary conditions on the natural frequencies. The exact results obtained from this analysis can check the validity and accuracy of other numerical methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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