A number of studies have suggested that the use of high ductile and high shear materials, such as Engineered Cementitious Composites (ECC) and High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites (HPFRCC), significantly enhances the shear capacity of structural elements, even with/without shear reinforcements. The present study emphasizes the development of a nonlinear model of shear behaviour of a HPFRCC panel for application to the seismic retrofit of reinforced concrete buildings. To model the shear behaviour of HPFRCC panels, the original Modified Compression Field Theory (MCFT) for conventional reinforced concrete panels has been newly revised for reinforced HPFRCC panels, and is referred to here as the HPFRCC-MCFT model. A series of experiments was conducted to assess the shear behaviour of HPFRCC panels subjected to pure shear, and the proposed shear model has been verified through an experiment involving panel elements under pure shear. The proposed shear model of a HPFRCC panel has been applied to the prediction of seismic retrofitted reinforced concrete buildings with in-filled HPFRCC panels. In retrofitted structures, the in-filled HPFRCC element is regarded as a shear spring element of a low-rise shear wall ignoring the flexural response, and reinforced concrete elements for beam or beam-column member are modelled by a finite plastic hinge zone model. An experimental study of reinforced concrete frames with in-filled HPFRCC panels was also carried out and the analysis model was verified with correlation studies of experimental results.
Al-Osta, Mohammed A.;Al-Sakkaf, Hamdi A.;Sharif, Alfarabi M.;Ahmad, Shamsad;Baluch, Mohammad H.
Computers and Concrete
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v.22
no.2
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pp.167-182
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2018
The modeling of loss of bond between reinforcing bars (rebars) and concrete due to corrosion is useful in studying the behavior and prediction of residual load bearing capacity of corroded reinforced concrete (RC) members. In the present work, first the possibility of using different methods to simulate the rebars-concrete bonding, which is used in three-dimensional (3D) finite element (FE) modeling of corroded RC beams, was explored. The cohesive surface interaction method was found to be most suitable for simulating the bond between rebars and concrete. Secondly, using the cohesive surface interaction approach, the 3D FE modeling of the behavior of non-corroded and corroded RC beams was carried out in an ABAQUS environment. Experimental data, reported in literature, were used to validate the models. Then using the developed models, a parametric study was conducted to examine the effects of some parameters, such as degree and location of the corrosion, on the behavior and residual capacity of the corroded beams. The results obtained from the parametric analysis using the developed model showed that corrosion in top compression rebars has very small effect on the flexural behaviors of beams with small flexural reinforcement ratio that is less than the maximum ratio specified in ACI-318-14 (singly RC beam). In addition, the reduction of steel yield strength in tension reinforcement due to corrosion is the main source of reducing the load bearing capacity of corroded RC beams. The most critical corrosion-induced damage is the complete loss of bond between rebars and the concrete as it causes sudden failure and the beam acts as un-reinforced beam.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.16
no.6
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pp.139-145
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2017
It is necessary to analyze the exact contact position and contact stress of the wheel-rail in order to predict damage to the wheel and rail. This study presents a wheel-rail contact analysis model that considers the deformation of the axle. When a wheel-rail contact analysis is performed using a full three-dimensional model of the wheelset and rail, the analytical model becomes very inefficient due to the increase in analysis time and cost. Therefore, modeling the element-coupling model of the wheel and rail as a three-dimensional element and the axle as a one-dimensional element is proposed. The wheel-rail contact characteristics in the proposed analysis model for straight and curved lines were analyzed and compared with the conventional three-dimensional analysis model. Considering the accuracy of the analysis results and time, the result shows that the proposed analytical model has almost the same accuracy as a full three-dimensional model, but the computational effort is significantly reduced.
Jie Wen;Abdul Hamid Sheikh;Md. Alhaz Uddin;A.B.M. Saiful Islam;Md. Arifuzzaman
Steel and Composite Structures
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v.48
no.6
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pp.693-708
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2023
Composite beams, two materials joined together, have become more common in structural engineering over the past few decades because they have better mechanical and structural properties. The shear connectors between their layers exhibit some deformability with finite stiffness, resulting in interfacial shear slip, a phenomenon known as partial shear interaction. Such a partial shear interaction contributes significantly to the composite beams. To provide precise predictions of the geometric nonlinear behavior shown by two-layered composite beams with interfacial shear slips, a robust analytical model has been developed that incorporates the influence of significant displacements. The application of a higher-order beam theory to the two material layers results in a third-order adjustment of the longitudinal displacement within each layer along the depth of the beam. Deformable shear connectors are employed at the interface to represent the partial shear interaction by means of a sequence of shear connectors that are evenly distributed throughout the beam's length. The Von-Karman theory of large deflection incorporates geometric nonlinearity into the governing equations, which are then solved analytically using the Navier solution technique. Suggested model exhibits a notable level of agreement with published findings, and numerical outputs derived from finite element (FE) model. Large displacement substantially reduces deflection, interfacial shear slip, and stress values. Geometric nonlinearity has a significant impact on beams with larger span-to-depth ratio and a greater degree of shear connector deformability. Potentially, the analytical model can accurately predict the geometric nonlinear responses of composite beams. The model has a high degree of generality, which might aid in the numerical solution of composite beams with varying configurations and shear criteria.
Prabha, P.;Marimuthu, V.;Jayachandran, S. Arul;Seetharaman, S.;Raman, N.
Steel and Composite Structures
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v.8
no.5
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pp.403-421
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2008
The design provisions for semi-rigid steel frames have been incorporated in codes of practice for steel structures. In order to do the same, it is necessary to know the experimental moment-relative rotation (M-${\theta}_r$) behaviour of beam-to-column connections. In spite of numerous publications and collection of several connection databases, there is no unified approach for the semi-rigid design of steel frames. Amongst the many connection models available, the Frye-Morris polynomial model, with its limitations reported in the literature, is simple to adopt at least for the linear design space. However this model requires more number of connection tests and regression analyses to make it a realistic prediction model. In this paper, 3D nonlinear finite element (FE) analysis of beam-column connection specimens, carried out using ABAQUS software, for evaluating the M-${\theta}_r$ behaviour of semi-rigid top and seat-angle (TSA) bolted connections are described. The finite element model is validated against experimental behaviour of the same connection with regard to their moment-rotation behaviour, stress distribution and mode of failure of the connections. The calibrated FE model is used to evaluate the performance of the Frye-Morris polynomial model. The results of the numerical parametric studies carried out using the validated FE model have been used in proposing modifications to the Frye-Morris model for TSA connection in terms of the powers of the size parameters.
This paper presents an analysis of the results of an experimental program on the performance of a novel configuration of a hybrid FRP-concrete beam. The beam section consists of a GFRP pultruded profile, a CFRP laminate, and a concrete block all wrapped up using filament winding. It was found that the thickness of the concrete block and the confinement by the filament-wound wrapping had a profound effect on the energy dissipation behaviour of the beam. Using a shear punching model, and comparing the predicted results with the experimental ones, it was found that beyond a given value of the concrete block thickness, the deformational behaviour of the beam shifts from brittle to ductile. It was also found that the filament-wound wrap had many benefits such as providing a composite action between the concrete block and the GFRP box, improving the stiffness of the beam, and most importantly, enhancing the load carrying ability through induced confinement of the concrete.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.147-150
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2001
In the present work, a linear static analysis is presented for thin-walled prismatic box-beams made of generally anisotropic materials. A mixed beam theory has been used to model and carry out the analysis. Three different constitutive relations are assessed into the beam formulation. Simple layup cases having symmetric or anti-symmetric configuration have been chosen and tested to clearly show the effects of elastic couplings of the beam. Both 2D and 3D finite element structural analysis using the MSC/NASTRAN has been performed to validate the current analytical results. Results show that appropriate assumptions for the constitutive equations are important and prerequisite for the accurate prediction of beam stiffness constants and also for the beam behavior.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.6
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pp.1496-1502
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1994
The influences of spring position and spring stiffness on the critical force of a cantilevered beam subjected to a follower force are investigated. The spring attatched to the beam is assumed to be a translational one and can be located at arbitrary positions of the beam as it has not been assumed so far. The effects of transeverse shear deformation and rotary intertia of the beam are also included in this analysis. The charateristic equation for the system is derived and a finite element model of the beam using local coordinates is formulated through extended Hamilton's principle. It is found that when the spring is located at position less than that of 0.5L, the flutter type instability only exists. It is shown that the spring position approaches to the free end of the beam from its midpoint, instability type is changed from flutter to divergence through the jump phenomina according to the increase of spring stiffness.
A three dimensional nonlinear finite element analysis is used to study the influence of various design decisions for tieback walls. The numerical model simulates the soldier piles and the tendon bonded length of the anchors with beam elements, the unbonded tendon with a spring element, the wood lagging with the shell elements, and the soil with solid 3D nonlinear elements. The soil model used is a modified hyperbolic model with unloading hysteresis. The complete sequence of construction is simulated including the excavation, and the placement and stressing of the anchors. The numerical model is calibrated against a full scale instrumented tieback wall at the National Geotechnical Experimentation Site (NGES) on the Riverside Campus of Texas A&M University. Then a parametric study is conducted. The results give information on the influence of the following factors on the wall behavior : location of the first anchor, length of the tendon unbonded zone, magnitude of the anchor forces, embedment of the soldier piles, stiffness of the wood lagging, and of the piles. The implications in design are discussed.
In this paper we present a new model for computing the nonlinear response of reinforced concrete frame systems subjected to extreme thermomechanical loads. The first main feature of the model is its ability to account for both bending and shear failure of the reinforced concrete composites within frame-like model. The second prominent feature concerns the model capability to represent the total degradation of the material properties due to high temperature and the thermal deformations. Several numerical simulations are given to confirm these capabilities and illustrate a very satisfying model performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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