In this paper, a new refined hyperbolic shear deformation beam theory for the bending analysis of functionally graded beam is presented. The theory accounts for hyperbolic distribution of the transverse shear strains and satisfies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the functionally graded beam without using shear correction factors. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present theory, the equilibrium equations are derived from the principle of virtual work. Navier type solution method was used to obtain displacement and stresses, and the numerical results are compared with those available in the literature. A detailed parametric study is presented to show the effect of different micromechanical models on the flexural response of a simply supported FG beams.
This paper presents investigation into the behavior of beam-column joints, with the joint region concrete being replaced by steel fiber reinforced concrete (SFRC) and by ultra-high performance concrete (UHPC). A total of ten beam-column joint specimens (BCJ) were tested experimentally to failure under monotonic and cyclic loading, with the beam section being subjected to flexural loading and the column to combined flexural and axial loading. The joint region essentially transferred shear and axial stresses as received from the column. Steel fiber reinforced concrete (SFRC) and ultra-high performance concrete (UHPC) were used as an innovative construction and/or strengthening scheme for some of the BCJ specimens. The reinforced concrete specimens were reinforced with longitudinal steel rebar, 18 mm, and some specimens were reinforced with an additional two ties in the joint region. The results showed that using SFRC and UHPC as a replacement concrete for the BCJ improved the joint shear strength and the load carrying capacity of the hybrid specimens. The mode of failure was also converted from a non-desirable joint shear failure to a preferred beam flexural failure. The effect of the ties in the SFRC and UHPC joint regions could not be observed due to the beam flexural failure. Several models were used in estimating the joint shear strength for different BCJ specimens. The results showed that the existing models yielded wide-ranging values. A new concept to take into account the influence of column axial load on the shear strength of beam-column joints is also presented, which demonstrates that the recommended values for concrete tensile strength for determination of joint shear strength need to be amended for joints subject to moderate to high axial loads. Furthermore, finite element model (FEM) simulation to predict the behaviour of the hybrid BCJ specimens was also carried out in an ABAQUS environment. The result of the FEM modelling showed good agreement with experimental results.
The flexural behavior of HSB I-girder with a non-slender web attributed to inelastic lateral-torsional buckling under uniform bending was investigated using nonlinear finite element analysis of ABAQUS. The girder was assumed to have a compact or noncompact web in order to prevent premature bend-buckling of the web. The unbraced length of the girder was selected so that inelastic lateral-torsional buckling governs the ultimate flexural strength. The compression flange was also assumed to be either compact or noncompact to prevent local buckling of the elastic flange. Both homogeneous sections fabricated from HSB600 or HSB800 steel and hybrid sections with HSB800 flanges and SM570-TMC web were considered. In the FE analysis, the flanges and web of I-girder were modeled as thin shell elements. Initial imperfections and residual stresses were imposed on the FE model. An elasto-plastic strain hardening material was assumed for steel. After establishing the validity of the present FE analysis by comparing FE results with test results in existing literature, the effects of initial imperfection and residual stress on the inelastic lateral-torsional buckling behavior were analyzed. Finite element analysis results for 96 sections demonstrated that the current inelastic strength equations for the compression flange in AASHTO LTFD can be applied to predict the inelastic lateral torsional buckling strength of homogeneous and hybrid HSB I-girders with a non-slender web.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.1
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pp.147-157
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2018
The basis of capacity design has been explicitly or implicitly regulated in most bridge design specifications. It is to guarantee ductile failure of entire bridge system by preventing brittle failure of pier members and any other structural members until the columns provides fully enough plastic rotation capacity. Brittle shear is regarded as a mode of failure that should be avoided in reinforced concrete bridge pier design. To provide ductility behavior of column, the one of important factors is that flexural hinge of column must be detailed to ensure adequate and dependable shear strength and deformation capacity. Eight small scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with 4.5 aspect ratio. The test variables are longitudinal steel ratio, transverse steel ratio, and axial load ratio. Eight flexurally dominated columns were tested. In all specimens, initial flexural-shear cracks occurred at 1.5% drift ratio. The multiple flexural-shear crack width and length gradually increased until the final stage. The angles of the major inclined cracks measured from the vertical column axis ranged between 42 and 48 degrees. In particular, this study focused on assessing transverse reinforcement contribution to the column shear strength. Transverse reinforcement contribution measured during test. Each three components of transverse reinforcement contribution, axial force contribution and concrete contribution were investigated and compared. It was assessed that the concrete stresses of all specimen were larger than stress limit of Korea Bridge Design Specifications.
An alternative design method for interior flat plate-column connections subjected to punching shear and unbalanced moment was developed. Since the slab-column connections are severely damaged by flexural cracking before punching shear failure, punching shear was assumed to be resisted mainly by the compression zone of the slab critical section. Considering the interaction with the flexural moment of the slab, the punching shear strength of the compression zone was evaluated based on the material failure criteria of concrete subjected to multiple stresses. The punching shear strength was also used to evaluate the unbalanced moment capacity of the slab-column connections. For verification, the proposed strength model was applied to existing test specimens subjected to direct punching shear or combined punching shear and unbalanced moment. The results showed that the proposed method predicted the strengths of the test specimens better than current design methods in ACI 318 and Eurocode 2.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.16
no.3
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pp.142-151
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2004
A method for the determination of concrete armor unit weights with hydraulic stability and structural stability may be formulated in this paper. The hydraulic stability is analyzed by using Hudson's formula, the structural stability is also studied by evaluation of maximum flexural tensile stresses in armor unit induced by the impact loads and by comparison of those with the tensile resistance strength directly. The applicable criteria for concrete armor units can be represented as a function of design wave heights with return period, armor weights, and tensile strengths for the practical uses. In addition, reliability analyses for two failure modes are carried out to take into account some uncertainties. Finally, a series system for two-failure mode analysis can be made up straightforwardly, by which the optimal weights of armor units can be estimated with the various relative breakages, given the specific target probability of failure under the concepts of reliability-based design method.
Flat plate structures under lateral load are susceptible to the brittle shear failure of plate-column connection. To prevent such brittle failure, strength and ductility of the connection should be ensured. However, according to previous studies, current design methods do not accurately estimate the strength of plate-column connection. In the present study, parametric study using nonlinear finite element analysis was performed for interior connections. Based on the numerical results, a design method for the connection was developed. At the critical sections around the connection coexist flexural moment and shear developed by lateral and gravity loads, and maximum allowable eccentric shear stresses were proposed based on the interactions between the flexural moment and shear, The proposed method can precisely predict the strength of the connection, compared with the current design provisions. The predictability of the proposed method was verified by the comparisons with existing experiments and nonlinear numerical analyses.
Aging and deterioration of existing steel structures necessitate the development of simple and efficient rehabilitation techniques. The current study investigates a methodology to enhance the flexural capacity of steel beams by bonding Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sheets to their flanges. A heavy duty adhesive, tested in a previous study is used to bond the steel and the GFRP sheet. In addition to its ease of application, the GFRP sheet provides a protective layer that prevents future corrosion of the steel section. The study reports the results of bending tests conducted on a W-shaped steel beam before and after rehabilitation using GFRP sheets. Enhancement in the moment capacity of the beam due to bonding GFRP sheet is determined from the test results. A closed form analytical model that can predict the yield moment as well as the stresses induced in the adhesive and the GFRP sheets of rehabilitated steel beam is developed. A detailed finite element analysis for the tested specimens is also conducted in this paper. The steel web and flanges as well as the GFRP sheets are simulated using three-dimensional brick elements. The shear and peel stiffness of the adhesive are modeled as equivalent linear spring systems. The analytical and experimental results indicate that a significant enhancement in the ultimate capacity of the steel beam is achieved using the proposed technique. The finite element analysis is employed to describe in detail the profile of stresses and strains that develop in the rehabilitated steel beam.
This paper presents the study of the bending behavior of mooring chain links for keeping the position of the offshore floating structures. In general, chain links have been thought as the axial members due to the fundamental boundary condition. But, the flexural stiffness can be induced to the contact surface between chain links when friction occurs at the surface of the chain links due to high tensile force. Especially, the mooring chains for offshore floating platforms are highly tensioned. If the floater suffers rotational motion and the mooring chain links are highly tensioned, the rotation between contact links, induced by the floater rotation, generates the bending moment and relevant stresses due to the unexpected bending stiffness. In 2005, the mooring chain links for the Girassol Buoy Platform were failed after just 5 months after facility installation, and the accident investigation research concluded the chain failure was mainly caused by the fatigue due to the unexpected bending stress fluctuation. This study investigates the pattern of the induced bending stiffness and stresses of the highly tensioned chain links by nonlinear finite element analysis.
While extensive efforts have been made in the past to develop finite element models (FEMs) for concrete-filled steel tubular columns (CFSTCs), these models may not be suitable to be used in some cases, especially in view of the utilisation of high strength steel and high strength concrete. A method is presented herein to predict the complete stress-strain curve of concrete subjected to tri-axial compressive stresses caused by axial load coupled with lateral pressure due to the confinement action in square and rectangular CFSTCs with normal and high strength materials. To evaluate the lateral pressure exerted on the concrete in square and rectangular shaped columns, an accurately developed FEM which incorporates the effects of initial local imperfections and residual stresses using the commercial program ABAQUS is adopted. Subsequently, an extensive parametric study is conducted herein to propose an empirical equation for the maximum average lateral pressure, which depends on the material and geometric properties of the columns. The analysis parameters include the concrete compressive strength ($f^{\prime}_c=20-110N/mm^2$), steel yield strength ($f_y=220-850N/mm^2$), width-to-thickness (B/t) ratios in the range of 15-52, as well as the length-to-width (L/B) ratios in the range of 2-4. The predictions of the behaviour, ultimate axial strengths, and failure modes are compared with the available experimental results to verify the accuracy of the models developed. Furthermore, a design model is proposed for short square and rectangular CFSTCs. Additionally, comparisons with the prediction of axial load capacity by using the proposed design model, Australian Standard and Eurocode 4 code provisions for box composite columns are carried out.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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