'Distortional buckling' is one of the predominant buckling types that may occur in a steel-concrete composite box beam (SCCBB) under a negative moment. The key factors, which affect the buckling modes, are the torsional and lateral restraints of the bottom plate of a SCCBB. Therefore, this article investigates the equivalent lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate of a SCCBB under a negative moment; the results of which show a linear coupling relationship between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint stiffness, which are not depended on the cross-sectional properties of a SCCBB completely. The mathematical formulas for calculating the lateral and torsional restraint rigidity of the bottom plate can be used to estimate: (1) the critical distortional buckling stress of SCCBBs under a negative moment; and (2) the critical distortional moment of SCCBBs. This article develops an improved calculation method for SCCBBs on an elastic foundation, which takes into account the coupling effect between the applied forces and the lateral and/or torsional restraint rigidity of the bottom plate. This article analyzes the accuracy of the following calculation methods by using 24 examples of SCCBBs: (1) the conventional energy method; (2) the improved calculation method, as it has been derived in this article; and (3) the ANSYS finite element method. The results verify that the improved calculation method, as it has been proved in this article, is more accurate and reliable than that of the current energy method, which has been noted in the references.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.10a
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pp.320-324
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2013
A crack identification method using an equivalent bending stiffness for cracked beam and committee of neural networks is presented. The equivalent bending stiffness is constructed based on an energy method for a straight thin-walled pipe, which has a through-the-thickness crack, subjected to bending. Several numerical analysis for a steel cantilever pipe using the equivalent bending stiffness are carried out to extract the natural frequencies and mode shapes of the cracked beam. The extracted modal properties are used in constructing a training patterns of a neural network. The input to the neural network consists of the modal properties and the output is composed of the crack location and size. Multiple neural networks are constructed and each individual network is trained independently with different initial synaptic weights. Then, the estimated crack locations and sizes from different neural networks are averaged. Experimental crack detection is carried out for 3 damage cases using the proposed method, and the identified crack locations and sizes agree reasonably well with the exact values.
First-order reliability method (FORM) is enhanced based on the search direction using relaxed conjugate reliability (RCR) approach for the embedded nanocomposite beam under buckling failure mode. The RCR method is formulated using discrete conjugate map with a limited scalar factor. A dynamical relaxed factor is proposed to control instability of proposed RCR, which is adjusted using sufficient descent condition. The characteristic of equivalent materials for nanocomposite beam are obtained by micro-electro-mechanical model. The probabilistic model of nanocomposite beam is simulated using the sinusoidal shear deformation theory (SSDT). The beam is subjected to external applied voltage in thickness direction and the surrounding elastic medium is modeled by Pasternak foundation. The governing equations are derived in terms of energy method and Hamilton's principal. Using exact solution, the implicit buckling limit state function of nanocomposite beam is proposed, which is involved various random variables including thickness of beam, length of beam, spring constant of foundation, shear constant of foundation, applied voltage, and volume fraction of ZnO nanoparticles in polymer. The robustness, accuracy and efficiency of proposed RCR method are evaluated for this engineering structural reliability problem. The results demonstrate that proposed RCR method is more accurate and robust than the excising reliability methods-based FORM. The volume fraction of ZnO nanoparticles and the applied voltage are the sensitive variables on the reliable levels of the nanocomposite beams.
Ha, Tae-Wook;Kim, Dae-Young;Shin, Young-Wan;Yang, Hyung-Sik
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.3
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pp.269-282
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2008
In general, the effects of steel ribs are not considered in the numerical analysis of tunnel design. However, attempts have been increased recently to consider these effects in the analysis of shallow tunnels in soft ground, based on the fact that the steel ribs embedded in the shotcrete take a role to support some portion of the redistributed load due to excavation. In such analyses, the steel ribs can be considered in four different methods: (1) a conventional method where the steel ribs are not considered, (2) a method using the equivalent composite cross section in which the bending moment of shotcrete is not considered, (3) a method using the equivalent composite cross section in which both the compressive stress and the bending moment for the shotcrete and steel rib are considered, and (4) a method using beam elements for the shotcrete and the steel rib, respectively. These methods are adopted in the numerical analysis using FLAC 2D to investigate stresses of both the shotcrete and the steel rib. The overall results show that the analyses are more practical and economical when the effects of steel rib are considered fer the methods (2), (3), and (4). Since the results of those analyses considering steel rib capacity may be different according to the ground condition, it will be necessary to consider the appropriate method among them in accordance with design conditions.
In this paper, the influence of axial compression ratio on the mechanical properties of new type joints of side span of rectangular concrete-filled steel tubular column-H-type steel beam is studied. Two new types of side-span joints of rectangular concrete-filled steel tubular column-H-type steel beam are designed and quasi-static tests of five new type joints with 1:2 scale reduction ratios are performed. The axial compression ratio of joint JD1 is 0.3, 0.4 and 0.5, and the axial compression ratio of joint JD2 is 0.3 and 0.5. In the joint test, different axial forces were applied to the top of the column according to different axial compression ratios, and low-cyclic reciprocating load was applied on the beam. The stress and strain distribution, beam and column deformation, limit state, failure process, failure mechanism, stiffness degradation, ductile deformation and energy dissipation capacity of the joint were measured and analyzed. The results show that: with the increase of axial compression ratio, the ultimate bearing capacity of the joint decreases slightly, the plastic deformation decreases, and the stiffness and ductility decrease. According to the energy dissipation curve of the specimen, the equivalent damping coefficient also increases with the increase of axial compression ratio in a certain range, indicating that the increase of axial compression ratio can improve the seismic performance of the joint to a certain extent. The finite element method is used to simulate the joint test, and the test results are in good agreement with the simulation results.
Girao Coelho, Ana M.;Simoes da Silva, Luis;Bijlaard, Frans S.K.
Steel and Composite Structures
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v.6
no.1
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pp.33-53
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2006
The rotational behaviour of bolted extended end plate beam-to-column connections is evaluated in the context of the component method. The full moment-rotation response is characterized from the force-deformation curve of the individual joint components. The deformability of end plate connections is mostly governed by the bending of the column flange and/or end plate and tension elongation of the bolts. These components form the tension zone of the joint that can be modelled by means of "equivalent T-stubs". A systematic analytical procedure for characterization of the monotonic force-deformation behaviour of individual T-stub connections is proposed. In the framework of the component method, the T-stub is then inserted in the joint spring model to generate the moment-rotation response of the joint. The procedures are validated with the results from an experimental investigation of eight statically loaded extended end plate bolted moment connections carried out at the Delft University of Technology. Because ductility is such an important property in terms of joint performance, particularly in the partial strength joint scenario, special attention is given to this issue.
A simple design method for rib-reinforced seismic steel moment connections has been recently proposed based on the equivalent strut model. An experimental program was implemented to verify the proposed design method, as well as develop the schemes that will prevent cracking at the rib tip where stress concentration was evident. All specimens designed using the proposed method were able to develop a satisfactory connection plastic rotation of 0.04 radian. In addition to rib reinforcement, slight beam flange trimming pushed the plastic hinging and local buckling of the beam away from the rip tip and effectively reduced cracking potential at the rib tip. Using strain gage readings, the strut action of the rib and resulting reverse shear in the beam web were also experimentally identified.
For determining the in-plane buckling resistance of a concrete-filled steel tubular (CFST) arch, the current technical code GB50923-2013 specifies the use of an equivalent beam-column method which ignores the effect of rise-to-span ratio. This may induce a gap between the calculated result and actual stability capacity. In this study, a FE model is used to predict the buckling behavior of CFST truss arches subjected to uniformly distributed loads. The influence of rise-to-span ratio on the capacity of truss arches is investigated, and it is found that the stability capacity reduces as rise-to-span ratio declines. Besides, the calculations of equivalent slenderness ratio for different truss sections are made to consider the effect of shear deformation. Moreover, based on FE results, a new design equation is proposed to predict the in-plane strength of CFST parabolic truss arches under uniformly distributed loads.
Based on the random cracking theory, the cylinder RVE model of reinforced concrete is established and the damage process is divided into three stages as the evolution of the cracks. The stress distribution along longitude direction of the concrete and the steel bar in the cylinder model are derived. The equivalent elastic modulus of the RVE are derived and the user-defined field variable subroutine (USDFLD) for the equivalent elastic modulus is well integrated into the ABAQUS. Regarding the tensile rebars and the concrete surrounding the rebars as the equivalent homogeneous transversely isotropic material, and the FEM analysis for the reinforced concrete beams is conducted with the USDFLD subroutine. Considering the concrete cracking and interfacial debonding, the macroscopic damage process of the reinforced concrete beam under four-point bending loading in the simulation. The volume fraction of rebar and the cracking degree are mainly discussed to reveal their influence on the macro-performance and they are calibrated with experimental results. Comparing with the bending experiment performed with 8 reinforced concrete beams, the bending stiffness of the second stage and the ultimate load simulated are in good agreement with the experimental values, which verifies the effectiveness and the accuracy of the improved finite element method for reinforced concrete beam.
da Silva, L. Simoes;Coelho, Ana M. Girao;Simoes, Rui A.D.
Steel and Composite Structures
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v.1
no.2
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pp.245-268
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2001
The analysis of steel-concrete composite joints presents some particular aspects that increase their complexity when compared to bare steel joints. In particular, the influence of slab reinforcement and column concrete encasement clearly change the moment-rotation response of the joint. Starting from an energy approach developed in the context of steel joints, an extension to composite joints is presented in this paper that is able to provide closed-form analytical solutions. In addition, the possibility of tri-linear or non-linear component behaviour is also incorporated in the model, enabling adequate treatment of the influence of cracked concrete in tension and the softening response of the column web in compression. This methodology is validated through comparison with experimental tests carried out at the University of Coimbra.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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