The current trends in steel construction intend to use tapered sections to minimize as much as possible the use of excess material. This can be done by choosing the cross-sections to be as economical as possible, leaving the classical approach of using prismatic members. In addition, it is important to predict the buckling behavior of tapered member with large depth-to-thickness ratio in order to prevent the collapse of PEB system subjected to overloads. An experimental investigation of buckling behavior of tapered beam was presented. The primary test parameter was depth-to-thickness ratio and taper ratio. Using initial stiffness and load-carrying capacity proposed by current provision, the simple plastic hinge method using modified Yoda's model and finite element analysis, the prediction of a moment-rotation curve of linearly tapered member was presented. Moreover, comparisons between analytical and experimental data for moment-rotation curves were accomplished.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.1
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pp.13-30
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2016
This paper concerns the development of an optimized TBM segmental lining design system for a subsea tunnel. The subsea tunnel is normally laid down under the sea water and submarine ground which consists of soil or rock. The design system is the series of process which can predict segmental lining member forces by ANN (artificial neural network system), analyze suitable section for the designated ground, construction and tunnel conditions. Finally, this lining design system aims to be connected with a BIM system for designing the subsea tunnel automatically. The lining member forces are predicted based on the ANN which was calculated by a FEM (finite element analysis) and it helps designers determine its segmental lining dimension easily without any further FE calculations.
In-plane and out-of-plane free vibration analysis of Timoshenko curved beams is addressed based on the isogeometric method, and an effective scheme to avoid numerical locking in both of the two patterns is proposed in this paper. The isogeometric computational model takes into account the effects of shear deformation, rotary inertia and axis extensibility of curved beams, and is applicable for uniform circular beams, and more complicated variable curvature and cross-section beams as illustrated by numerical examples. Meanwhile, it is shown that, the $C^{p-1}$-continuous NURBS elements remarkably have higher accuracy than the finite elements with the same number of degrees of freedom. Nevertheless, for in-plane or out-of-plane vibration analysis of Timoshenko curved beams, the NURBS-based isogeometric method also exhibits locking effect to some extent. To eliminate numerical locking, the selective reduced one-point integration and $\bar{B}$ projection element based on stiffness ratio is devised to achieve locking free analysis for in-plane and out-of-plane models, respectively. The suggested integral schemes for moderately slender models obtain accurate results in both dominated and non-dominated regions of locking effect. Moreover, this strategy is effective for beam structures with different slenderness. Finally, the influence factors of structural parameters of curved beams on their natural frequency are scrutinized.
Stavridou, Nafsika;Efthymiou, Evangelos;Gerasimidis, Simos;Baniotopoulos, Charalampos C.
Steel and Composite Structures
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v.19
no.5
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pp.1115-1144
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2015
Current climate conditions along with advances in technology make further design and verification methods for structural strength and reliability of wind turbine towers imperative. Along with the growing interest for "green" energy, the wind energy sector has been developed tremendously the past decades. To this end, the improvement of wind turbine towers in terms of structural detailing and performance result in more efficient, durable and robust structures that facilitate their wider application, thus leading to energy harvesting increase. The wind tower industry is set to expand to greater heights than before and tapered steel towers with a circular cross-section are widely used as more capable of carrying heavier loads. The present study focuses on the improvement of the structural response of steel wind turbine towers, by means of internal stiffening. A thorough investigation of the contribution of stiffening rings to the overall structural behavior of the tower is being carried out. These stiffening rings are placed along the tower height to reduce local buckling phenomena, thus increasing the buckling strength of steel wind energy towers and leading the structure to a behavior closer to the one provided by the beam theory. Additionally to ring stiffeners, vertical stiffening schemes are studied to eliminate the presence of short wavelength buckles due to bending. For the purposes of this research, finite element analysis is applied in order to describe and predict in an accurate way the structural response of a model tower stiffened by internal stiffeners. Moreover, a parametric study is being performed in order to investigate the effect of the stiffeners' number to the functionality of the aforementioned stiffening systems and the improved structural behavior of the overall wind converter.
The Journal of the Convergence on Culture Technology
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v.6
no.4
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pp.753-760
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2020
In this study, the structural safety of the bearing support was analysed by applying the vertical load (bearing design load) and horizontal load (horizontal force generated during an earthquake) using a precise three-dimensional numerical model. The results of stress and displacement of newly-poured concrete and welded rebars were confirmed numerically. Numerical results show that the increase in the horizontal force and the height of the beam causes the concrete cracking and the stress increase of the rebar connections due to the increase of the stress at the new concrete interface. Therefore, it was analyzed that the increase in the height of bearing support is directly related to the horizontal force and it is necessary to apply the bearing support height appropriate for the bearing support capacity. It was proposed that a method of setting the height of the bearing support suitable for the bearing capacity and determining the reinforcement by presenting the guideline with the correlation between the horizontal force acting on the bearing support and its height.
Kim Sung Wook;Han Sang Muk;Kang Su Tae;Kong Jeong Shick;Kang Jun Hyung;Jun Sang Eun
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.409-412
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2004
Over last decade extensive researches have been undertaken on the strength behaviour of Fiber Reinforced Concrete(FRC) structures. But the use of Ultra-High Strength Steel Fiber Cementitious Concrete Composites is in its infancy and there is a few experiments, analysis method and design criteria on the structural elements constructed with this new generation material which compressive strength is over 150 MPa and characteristic behaviour on the failure status is ductile. The objective of this paper is to investigate and analyze the behaviour of reinforced rectangular structural members constructed with ultra high performance cementitious composites (UHPCC). This material is known as reactive powder concrete (RPC) mixed with domestic materials and its compressive strength is over 150MP. The variables of test specimens were shear span ratio, reinforcement ratio and fiber quantity. Even if there were no shear stirrups in test specimens, most influential variable to determine the failure mode between shear and flexural action was proved to be shear span ratio. The characteristics of ultra high-strength concrete is basically brittle, but due to the steel fiber reinforcement behaviour of this structure member became ductile after the peak load. As a result of the test, the stress block of compressive zone could be defined. The proposed analytical calculation of internal force capacity based by plastic analysis gave a good prediction for the shear and flexural strength of specimens. The numerical verification of the finite element model which constitutive law developed for Mode I fracture of fiber reinforced concrete correctly captured the overall behaviour of the specimens tested.
Until now, a comparative study on fully and partially-connected steel shear walls leading to enhancing strength and stiffness reduction of partially-connected steel plate shear wall structures has not been reported. In this paper a number of 4-story and 8-story steel plate shear walls, are considered with three different connection details of infill plate to surrounding frame. The specimens are modeled using nonlinear finite element method verified excellently with the experimental results and analyzed under monotonic loading. A comparison between initial stiffness and shear strength of models as well as percentage of shear force by model boundary frame and infill plate are performed. Moreover, a comparison between energy dissipation, ductility factor and distribution of Von-Mises stresses of models are presented. According to the results, the initial stiffness, shear resistance, energy dissipation and ductility of the models with beam-only connected infill plates (SSW-BO) is found to be about 53%, 12%, 15% and 48% on average smaller than those of models with fully-connected infill plates (SPSW), respectively. However, performance characteristics of semi-supported steel shear walls (SSSW) containing secondary columns by simultaneously decreasing boundary frame strength and increasing thickness of infill plates are comparable to those of SPSWs. Results show that by using secondary columns as well as increasing thickness of infill plates, the stress demands on boundary frame decreases substantially by as much as 35%. A significant increase in infill plate share on shear capacity by as much as 95% and 72% progress for the 4-story SSW-BO and 8-story SSSW8, respectively, as compared with non-strengthened counterparts. A similar trend is achieved by strengthening secondary columns of 4-story SSSW leading to an increase of 50% in shear force contribution of infill plate.
Naserabad, Alifazl Azizi;Ghasemi, Mohammad Reza;Shabakhty, Naser;Arab, Hammed Ghohani
International journal of steel structures
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v.18
no.5
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pp.1639-1653
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2018
Bolted connections are suitable due to high quality prefabrication in the factory and erection in the workplace. Prefabrication and modularization cause high speed of erection and fabrication, high quality and quick return of investment. Their technical hitches transportation can be removed by prefabrication of joints and small fabrication of components. Box-columns are suitable members for bolted structures such as welded steel structures with moment frames in two directions etc., but their continual fabrication in multi-story buildings and performing the internal continuity plate in them will cause some practical dilemmas. The details of the proposal technique introduced here, is to remove such problems from the box columns. Besides, some other advantages include new prefabricated bolted beam-to-column connections referred to BBCC. This connection is a set of plates joined to columns, beams, support, and bolts. For a better understanding of its fabrication and erection techniques, two connection and one structural maquettes are made. The present work aims to study the cyclic behavior of connection numerically. To verify the accuracy of model, a similar tested connection was modelled. Its verification was then made through comparison with test results. The behavior of connection was evaluated for an exterior connection using three different support shapes. The effects of support shapes on rigidity, ductility, rotation capacity, maximum strength, four rad rotation strength were compared to those of the AISC seismic provision requirements. It was found that single beams support has all the AISC seismic provision requirements for special moment frames with and without a continuity plate, and box with continuity plate is the best support in the BBCC connection.
Yousry B.I. Shaheen;Ghada M. Hekal;Ayman M. Elshaboury;Ashraf M. Mahmoud
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.4
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pp.371-390
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2024
Investigating the impact of openings on the structural behavior of ferrocement I-beams with two distinct types of reinforcing metallic and non-metallic meshes is the primary goal of the current study. Up until failure, eight 250x200x2200 mm reinforced concrete I-beams were tested under flexural loadings. Depending on the kind of meshes used for reinforcement, the beams are split into two series. A control I-beam with no openings and three beams with one, two, and three openings, respectively, are found in each series. The two series are reinforced with three layers of welded steel meshes and two layers of tensar meshes, respectively, in order to maintain a constant reinforcement ratio. Structural parameters of investigated beams, including first crack, ultimate load, deflection, ductility index, energy absorption, strain characteristics, crack pattern, and failure mode were reported. The number of mesh layers, the volume fraction of reinforcement, and the kind of reinforcing materials are the primary factors that vary. This article presents the outcomes of a study that examined the experimental and numerical performance of ferrocement reinforced concrete I-beams with and without openings reinforced with welded steel mesh and tensar mesh separately. Utilizing ANSYS-16.0 software, nonlinear finite element analysis (NLFEA) was applied to illustrate how composite RC I-beams with openings behaved. In addition, a parametric study is conducted to explore the variables that can most significantly impact the mechanical behavior of the proposed model, such as the number of openings. The FE simulations produced an acceptable degree of experimental value estimation, as demonstrated by the obtained experimental and numerical results. It is also noteworthy to demonstrate that the strength gained by specimens without openings reinforced with tensar meshes was, on average, 22% less than that of specimens reinforced with welded steel meshes. For specimens with openings, this value is become on average 10%.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.6
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pp.333-342
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2022
The blast analysis method entails the use of an empirical equation and application of the pressure-time history curve as an explosive load. Although this method is efficient owing to its simple model and short run time, previous studies indicate that it may not be appropriate for near-field explosions. In this study, we investigated why different results were observed for the analysis method by considering an RC beam under near-field explosion conditions with the scaled distance of 0.4-1.0 as an example. On this basis, we examined the application range of the empirical analysis method by using the finite element analysis program LS-DYNA. The results indicate that the empirical analysis method based on data from far-field explosion tests underestimates the impulse. Thus, the calculated deflection of the RC beam would be smaller than the measured deflection and arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) analysis result. The ALE analysis method is more suitable for near-field explosion conditions wherein the structural responses are large.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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