Chen, Xia-chun;Bai, Zhi-zhou;Zeng, Yu;Jiang, Rui-juan;Au, Francis T.K.
Steel and Composite Structures
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v.21
no.5
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pp.1045-1067
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2016
Concrete bridges with corrugated steel webs and prestressed by both internal and external tendons have emerged as one of the promising bridge forms. In view of the different behaviour of components and the large shear deformation of webs with negligible flexural stiffness, the assumption that plane sections remain plane may no longer be valid, and therefore the classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam models may not be applicable. In the design of this type of bridges, both the ultimate load and ductility should be examined, which requires the estimation of full-range behaviour. An analytical sandwich beam model and its corresponding beam finite element model for geometric and material nonlinear analysis are developed for this type of bridges considering the diaphragm effects. Different rotations are assigned to the flanges and corrugated steel webs to describe the displacements. The model accounts for the interaction between the axial and flexural deformations of the beam, and uses the actual stress-strain curves of materials considering their stress path-dependence. With a nonlinear kinematical theory, complete description of the nonlinear interaction between the external tendons and the beam is obtained. The numerical model proposed is verified by experiments.
In this paper, the nonlinear static and free vibration analysis of Euler-Bernoulli composite beam model reinforced by functionally graded single-walled carbon nanotubes (FG-SWCNTs) with initial geometrical imperfection under uniformly distributed load using finite element method (FEM) is investigated. The governing equations of equilibrium are derived by the Hamilton's principle and von Karman type nonlinear strain-displacement relationships are employed. Also the influences of various loadings, amplitude of the waviness, UD, USFG, and SFG distributions of carbon nanotube (CNT) and different boundary conditions on the dimensionless transverse displacements and nonlinear frequency ratio are presented. It is seen that with increasing load, the displacement of USFG beam under force loads is more than for the other states. Moreover it can be seen that the nonlinear to linear natural frequency ratio decreases with increasing aspect ratio (h/L) for UD, USFG and SFG beam. Also, it is shown that at the specified value of (h/L), the natural frequency ratio increases with the increasing the values amplitude of waviness while the dimensionless nonlinear to linear maximum deflection decreases. Moreover, with considering the amplitude of waviness, the stiffness of Euler-Bernoulli beam model reinforced by FG-CNT increases. It is concluded that the R parameter increases with increasing of volume fraction while the rate of this parameter decreases. Thus one can be obtained the optimum value of FG-CNT volume fraction to prevent from resonance phenomenon.
Rahimipour, Arash;Hejazi, Farzad;Vaghei, Ramin;Jaafar, Mohd Saleh
Computers and Concrete
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v.18
no.6
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pp.1083-1096
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2016
Beam-column joints are recognized as the weak points of reinforcement concrete frames. The ductility of reinforced concrete (RC) frames during severe earthquakes can be measured through the dissipation of large energy in beam-column joint. Retrofitting and rehabilitating structures through proper methods, such as carbon fiber reinforced polymer (CFRP), are required to prevent casualties that result from the collapse of earthquake-damaged structures. The main challenge of this issue is identifying the effect of CFRP on the occurrence of failure in the joint of a cross section with normal ductility. The present study evaluates the retrofitting method for a normal ductile beam-column joint using CFRP under monotonic and cyclic loads. Thus, the finite element model of a cross section with normal ductility and made of RC is developed, and CFRP is used to retrofit the joints. This study considers three beam-column joints: one with partial CFRP wrapping, one with full CFRP wrapping, and one with normal ductility. The two cases with partial and full CFRP wrapping in the beam-column joints are used to determine the effect of retrofitting with CFRP wrapping sheets on the behavior of the beam-column joint confined by such sheets. All the models are subjected to monotonic and cyclic loading. The final capacity and hysteretic results of the dynamic analysis are investigated. A comparison of the dissipation energy graphs of the three connections shows significant enhancement in the models with partial and full CFRP wrapping. An analysis of the load-displacement curves indicates that the stiffness of the specimens is enhanced by CFRP sheets. However, the models with both partial and full CFRP wrapping exhibited no considerable improvement in terms of energy dissipation and stiffness.
This paper describes the refined 3-D finite element (FE) modeling of composite frames composed of concrete-filled steel tubular (CFST) columns and steel-concrete composite beams based on the test to get a better understanding of the seismic behavior of the steel-concrete composite frames. A number of material nonlinearities and contact nonlinearities, as well as geometry nonlinearities, were taken into account. The elastoplastic behavior, as well as fracture and post-fracture behavior, of the FE models were in good agreement with those of the specimens. Besides, the beam and panel zone deformation of the analysis models fitted well with the corresponding deformation of the specimens. Parametric studies were conducted based on the refined finite elememt (FE) model. The analyzed parameters include slab width, slab thickness, shear connection degree and axial force ratio. The influences of these parameters, together with the presence of transverse beam, on the seismic behavior of the composite frame were studied. And some advices for the corresponding seismic design provisions of composite structures were proposed.
A proper physical modeling of infilled building frame-foundation beam-soil mass interaction system is needed to predict more realistic and accurate structural behavior under static vertical loading. This is achieved via finite element method considering the superstructure, foundation and soil mass as a single integral compatible structural unit. The physical modelling is achieved via use of finite element method, which requires the use of variety of isoparametric elements with different degrees of freedom. The unbounded domain of the soil mass has been discretized with coupled finite-infinite elements to achieve computational economy. The nonlinearity of soil mass plays an important role in the redistribution of forces in the superstructure. The nonlinear behaviour of the soil mass is modeled using hyperbolic model. The incremental-iterative nonlinear solution algorithm has been adopted for carrying out the nonlinear elastic interaction analysis of a two-bay two-storey infilled building frame. The frame and the infill have been considered to behave in linear elastic manner, whereas the subsoil in nonlinear elastic manner. In this paper, the computational methodology adopted for nonlinear soil-structure interaction analysis of infilled frame-foundation-soil system has been presented.
Ultra-lightweight cement composite (ULCC) with a compressive strength of 60 MPa and density of $1,450kg/m^3$ has been developed and used in the steel-concrete-steel (SCS) sandwich structures. This paper investigates the structural performances of SCS sandwich composite beams with ULCC as filled material. Overlapped headed shear studs were used to provide shear and tensile bond between the face plate and the lightweight core. Three-dimensional nonlinear finite element (FE) model was developed for the ultimate strength analysis of such SCS sandwich composite beams. The accuracy of the FE analysis was established by comparing the predicted results with the quasi-static tests on the SCS sandwich beams. The FE model was also applied to the nonlinear analysis on curved SCS sandwich beam and shells and the SCS sandwich beams with J-hook connectors and different concrete core including ULCC, lightweight concrete (LWC) and normal weight concrete (NWC). Validations were also carried out to check the accuracy of the FE analysis on the SCS sandwich beams with J-hook connectors and curved SCS sandwich structure. Finally, recommended FE analysis procedures were given.
The addition of steel fibers in concrete mixture is recognized as a non-conventional mass reinforcement scheme that improves the torsional, flexural, and shear behavior of structural members. However, the analysis of fiber reinforced concrete beams under combined torsion, bending, and shear is limited because of the complicated nature of the problem. Therefore, nonlinear 3D finite element analysis was conducted using the "ANSYS CivilFEM" program to investigate the behavior of fiber reinforced concrete L-beams. These beams were tested at different reinforcement schemes and loading conditions. The reinforcement case parameters were set as follows: reinforced with longitudinal reinforcement only and reinforced with steel bars and stirrups. All beams were tested under two different combined loading conditions, namely, torsion-to-shear ratio (T/V) = 545 mm (high eccentricity) and T/V = 145 mm (low eccentricity). Eight intermediate L-beams were constructed and tested in a laboratory under combined torsion, bending, and shear to validate the finite element model. Comparisons with the experimental data reveal that the program can accurately predict the behavior of L-beams under different reinforcement cases and combined loading ratios. The ANSYS model accurately predicted the loads and deformations for various types of reinforcements in L-beams and captured the concrete strains of these beams.
Extensive research work has been performed on shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams retrofitted with externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) in form of strips. However, most of this research work is experimental and very scarce studies are available on numerical modelling of such beams due to truly challenging nature of modelling concrete shear cracking and interfacial interaction between components of such beams. This paper presents an appropriate model for RC beam and to simulate its cracking without numerical computational difficulties, convergence and solution degradation problems. Modelling of steel and CFRP and their interfacial interaction with concrete are discussed. Finally, commercially available non-linear finite element software ABAQUS is used to validate the developed finite element model with key tests performed on full scale T-beams with and without CFRP retrofitting, taken from previous extensive research work. The modelling parameters for bonding behavior of CFRP with special anchors are also proposed. The results presented in this research work illustrate that appropriate modelling of bond behavior of all the three types of interfaces is important in order to correctly simulate the shear behavior of RC beams strengthened with CFRP.
A bimorph piezoelectric energy harvester is developed for harvesting energy under the vortex induced vibration and it is integrated to a host structure of a trapezoidal plate without changing its passive dynamic properties. It is aimed to select trapezoidal plate as similar to a vertical fin-like structure which could be a part of an air vehicle. The designed energy harvester consists of an aluminum beam and two identical multi fiber composite (MFC) piezoelectric patches. In order to understand the dynamic characteristic of the trapezoidal plate, finite element analysis is performed and it is validated through an experimental study. The bimorph piezoelectric energy harvester is then integrated to the trapezoidal plate at the most convenient location with minimal structural displacement. The finite element model is constructed for the new combined structure in ANSYS Workbench 14.0 and the analyses performed on this particular model are then validated via experimental techniques. Finally, the energy harvesting performance of the bimorph piezoelectric energy harvester attached to the trapezoidal plate is also investigated through wind tunnel tests under the air load and the obtained results indicate that the system is a viable one for harvesting reasonable amount of energy.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.11a
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pp.369-372
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2006
Flat plate slab systems have been commonly used as a gravity force resisting systems, which should be constructed with lateral force resisting systems such as shear walls and moment resisting frame. ACI 318(2005) allows the Direct design method, the equivalent frame method (ACI-EFM) under gravity loads and the finite-element models, effective beam width models and equivalent frame models under lateral loads. ACI-EFM can be used for gravity loads as well as lateral loads analysis. But the method may not predict the behavior of flat plate slabs under lateral loads. Thus Previous study developed a Modified equivalent frame method(Modified-EFM) which could give more precise answer for flat plate slab under lateral loads. This study is to verified the accuracy of a Modified-EFM under combined lateral and gravity loads. The accuracy of this model is verified by comparing the results using the Modified-EFM with the results of finite element analysis. For this purpose, 7 story building is considered. The analysis results of other existing models are included. The analysis results show that Modified-EFM produces comparable drift and slab internal moments with those obtained from finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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