The paper presents the results of an experimental and numerical programme to characterize the behaviour of steel beams reinforcement by composite plates. Important failure mode of such plated beams is the debonding of the composite plates from the steel beam due to high level of stress concentration in the adhesive at the ends of the composite plate. In this new research, an experimental and numerical finite element study is presented to calculate the stresses in the sika carbodur and sika wrap reinforced steel beam under mechanical loading. The main objective of the experimental program was the evaluation of the force transfer mechanism, the increase of the load capacity of the steel beam and the flexural stiffness. It also validated different analytical and numerical models for the analysis of sika carbodur and sika wrap reinforced steel beams. In particular, a finite element model validated with respect to the experimental data and in relation to the analytical approach is presented. Experimental and numerical results from the present analysis are presented in order to show the advantages of the present solution over existing ones and to reconcile debonding stresses with strengthening quality.
Vahedian, Abbas;Mahini, Seyed Saeed;Glencross-Grant, Rex
Structural Monitoring and Maintenance
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v.2
no.3
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pp.269-282
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2015
Civil structures should be designed with the lowest cost and longest lifetime possible and without service failure. The efficient and sustainable use of materials in building design and construction has always been at the forefront for civil engineers and environmentalists. Timber is one of the best contenders for these purposes particularly in terms of aesthetics; fire protection; strength-to-weight ratio; acoustic properties and seismic resistance. In recent years, timber has been used in commercial and taller buildings due to these significant advantages. It should be noted that, since the launch of the modern building standards and codes, a number of different structural systems have been developed to stabilise steel or concrete multistorey buildings, however, structural analysis of high-rise and multi-storey timber frame buildings subjected to lateral loads has not yet been fully understood. Additionally, timber degradation can occur as a result of biological decay of the elements and overloading that can result in structural damage. In such structures, the deficient members and joints require strengthening in order to satisfy new code requirements; determine acceptable level of safety; and avoid brittle failure following earthquake actions. This paper investigates performance assessment and damage assessment of older multi-storey timber buildings. One approach is to retrofit the beams in order to increase the ductility of the frame. Experimental studies indicate that Sprayed Fibre Reinforced Polymer (SFRP) repairing/retrofitting not only updates the integrity of the joint, but also increases its strength; stiffness; and ductility in such a way that the joint remains elastic. Non-linear finite element analysis ('pushover') is carried out to study the behaviour of the structure subjected to simulated gravity and lateral loads. A new global index is re-assessed for damage assessment of the plain and SFRP-retrofitted frames using capacity curves obtained from pushover analysis. This study shows that the proposed method is suitable for structural damage assessment of aged timber buildings. Also SFRP retrofitting can potentially improve the performance and load carrying capacity of the structure.
Murthy, A. Ramachandra;Gandhi, P.;Pukazhendhi, D.M.;Samuel, F. Giftson;Vishnuvardhan, S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.3
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pp.361-373
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2022
This paper examines the flexural performance of concrete beams reinforced with glass fibre-reinforced polymer (GFRP) bars under fatigue loading. Experiments were carried out on concrete beams of size 1500×200×100 mm reinforced with 10 mm and 13 mm diameter GFRP bars under fatigue loading. Experimental investigations revealed that fatigue loading affects both strength and serviceability properties of GFRP reinforced concrete. Experimental results indicated that (i) the concrete beams experienced increase in deflection with increase in number of cycles and failed suddenly due to snapping of rebars and (ii) the fatigue life of concrete beams drastically decreased with increase in stress level. Analytical model presented a procedure for predicting the deflection of concrete beams reinforced with GFRP bars under cyclic loading. Deflection of concrete beams was computed by considering the aspects such as stiffness degradation, force equilibrium equations and effective moment of inertia. Nonlinear finite element (FE) analysis was performed on concrete beams reinforced with GFRP bars. Appropriate constitutive relationships for concrete and GFRP bars were considered in the numerical modelling. Concrete non linearity has been accounted through concrete damage plasticity model available in ABAQUS. Deflection versus number of cycles obtained experimentally for various beams was compared with the analytical and numerical predictions. It was observed that the predicted values are comparable (less than 20% difference) with the corresponding experimental observations.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2004.10a
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pp.112-115
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2004
An analytical study is conducted using the Galerkin technique to determine the behaviour of thin fibre-reinforced composite pipes under soil pressure. Geometric nonlinearity and material linearity are assumed. It is assumed that the vertical and lateral soil pressures are proportional to the depth and the lateral displacement of the pipe respectively. It is also assumed that the radial shear stress is negligible because the ratio of the thickness to the radius of the pipe is very small. The calculation results are compared with the finite element analysis result.
The split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique is widely used to characterize the dynamic mechanical response of engineering materials at high strain rates. In this paper, attendant problems associated with testing 70 mm diameter concrete specimens are considered, analysed and resolved. An adaptation of a conventional solid circular striker bar, as a means of achieving reliable and repeatable SHPB tests, is then proposed. In the analysis, a pseudo one-dimensional model is used to analyse wave propagation in a non-uniform striker bar. The stress history of the incident wave is then obtained by using the finite difference method. Comparison was made between incident waves determined from the simplified model, finite element solution and experimental data. The results show that the simplified method is adequate for designing striker bar shapes to overcome difficulties commonly encountered in SHPB tests. Using two specifically designed striker bars, tests were conducted on 70 mm diameter steel fibre reinforced concrete specimens. The results are presented in the paper.
Abdullah Rafiq Safiaa;Suryamani Behera;Rimen Jamatia;Rajesh Kumar;Subhajit Mondal
Advances in concrete construction
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v.15
no.5
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pp.321-331
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2023
The effect of fibre-reinforced polymer (FRP) strengthening on the behaviour of reinforced concrete (RC) beams with web openings is studied. It has been observed that the load-carrying capacity and deflection in the presence of an opening reduced by approximately 50% and 75%, respectively. Three-dimensional nonlinear finite models are first validated with the results obtained from experimental data. Thereafter, a series of parametric studies are conducted for the beam with an opening. In the study, it is observed that a square opening shape is critical in comparison to the elliptical and circular-shaped opening. The web opening located near the support is found to be critically compared to the opening in the middle of the beam. Given the critical opening shape situated at the critical location, the increase in FRP layers enhances the load-deformation behaviour of the FRP-wrapped RC beam. However, the load-deformation responses are not significantly improved beyond a certain threshold value of FRP layers.
This work proposes a theoretical and numerical study on the behavior of a tapered shaft rotor made of composite materials by the classical version h and the version p of the finite element method. Hierarchical form functions are used to define the model. The purpose of this paper is to determine the expressions of the kinetic and potential energies of the tree necessary for the results of the equations of motion. A comparison between the version h and the p version of the finite element method of the functions of polynomial and trigonometric hierarchical forms with six degrees of freedom per node, of a composite tapered and cylindrical shaft which rotates at a constant speed about its axis. It is found that when the number of functions of form (the version p) is increased, the solution converges. It is also observed that the conicity of the shaft increases the rigidity with respect to a uniform shaft having the same mechanical properties. The numerical simulation allowed us to determine the natural frequencies and the critical speeds of the composite shaft systems are compared with those available in the literature and the effectiveness of the methods used are discussed.
This paper presents the results of a study on the capability of nonlinear quasi-static finite element modelling in simulating the hysteretic behaviour of CFRP and GFRP-retrofitted RC exterior beam-column joints under cyclic loads. Four specimens including two plain and two CFRP/GFRP-strengthened beam-column joints tested by Mahini and Ronagh (2004) and other researchers are modelled using ANSYS. Concrete in compression is defined by the modified Hognestad model and anisotropic multi-linear model is employed for modelling the stress-strain relations in reinforcing bars while anisotropic plasticity is considered for the FRP composite. Both concrete and FRP are modelled using solid elements whereas space link elements are used for steel bars considering a perfect bond between materials. A step by step load increment procedure to simulate the cyclic loading regime employed in the testing. An automatically reforming stiffness matrix strategy is used in order to simulate the actual seismic performance of the RC concrete after cracking, steel yielding and concrete crushing during the push and pull loading cycles. The results show that the hysteretic simulation for all specimens is satisfactory and therefore suggest that the numerical model can be used as an inexpensive tool to design of FRP-strengthened RC beam-column joints under cyclic loads.
Bendada, A.;Boutchicha, D.;Khatir, S.;Magagnini, E.;Capozucca, R.;Wahab, M. Abdel
Steel and Composite Structures
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v.35
no.5
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pp.627-634
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2020
The past years were marked by an increase in the use of wood waste in civil and mechanical constructions. Date palm waste remains also one of the most solicited renewable and recyclable natural resources in the composition of composite materials. In Algeria, a great amount of this type of plant wastes accumulates every year. In order to make use of this waste, a new wood-epoxy composite material based on date palm petiole particleboard is developed. It makes use of date palm petiole particleboard as reinforcement and epoxy resin as matrix. The size of the particles reinforcement are between 1~3 mm and proportion of reinforcement used is 37%. In this work, experimental and numerical studies are conducted in order to characterize the wood fibre-epoxy plates. Firstly, experimental modal analysis test was carried out to determine Young's modulus of the elaborated material. Then, in order to validate the results, compression test was conducted. Furthermore, additional information about the shear modulus of this material is obtained by performing an experimental modal analysis to extract the first torsional mode. Moreover, a finite element model is developed using ANSYS software to simulate the vibration behaviour of the plates. The results show a good agreement with the experimental modal analysis, which confirms the values of Young's modulus and shear modulus.
Shape Memory Polymer Composites (SMPC) have gained popularity over the last few decades due to its flexible shape memory behaviour over wide range of strains and temperatures. In this paper, non-linear bending analysis has been carried out for SMPC beam under the application of uniformly distributed transverse load (UDL). Simplified C0 continuity Finite Element Method (FEM) based on Higher Order Shear Deformation Theory (HSDT) has been adopted for flexural analysis of SMPC. The numerical solutions are obtained by iterative Newton Raphson method. Material properties of SMPC with Shape Memory Polymer (SMP) as matrix and carbon fibre as reinforcements, have been calculated by theory of volume averaging. Effect of temperature on SMPC has been evaluated for numerous parameters for instance number of layers, aspect ratio, boundary conditions, volume fraction of carbon fiber and laminate stacking orientation. Moreover, deflection profile over unit length and behavior of stresses across thickness are also presented to elaborate the effect of glass transition temperature (Tg). Present study provides detailed explanation on effect of different parameters on the bending of SMPC beam for large strain over a broad span of temperature from 273-373K, which encompasses glass transition region of SMPC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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