Within the scope of the plane-strain state, by utilizing the three-dimensional linearized theory of elastic waves in initially stressed piezoelectric and elastic materials, Lamb wave propagation and the influence of the initial stresses on this propagation in a sandwich plate with pre-stressed piezoelectric face and pre-stressed metal elastic core layers are investigated. Dispersion equations are derived for the extensional and flexural Lamb waves and, as a result of numerical solution to these equations, the corresponding dispersion curves for the first (fundamental) and second modes are constructed. Concrete numerical results are obtained for the cases where the face layers' materials are PZT-2 or PZT-6B, but the material of the middle layer is Steel (St) or Aluminum (Al). Sandwich plates PZT-2/St/PZT-2, PZT-2/Al/PZT-2, PZT-6B/St/PZT-6B and PZT-6B/Al/PZT-6B are examined and the influence of the problem parameters such as piezoelectric and dielectric constants, layer thickness ratios and third order elastic constants of the St and Al on the effects of the initial stresses on the wave propagation velocity is studied.
This work presents a simple exponential shear deformation theory for the flexural and free vibration responses of thick bridge deck. Contrary to the existing higher order shear deformation theories (HSDT) and the first shear deformation theory (FSDT), the proposed model uses a new displacement field which incorporates undetermined integral terms and involves only two variables. Governing equations and boundary conditions of the theory are derived by the principle of virtual work. The simply supported thick isotropic square and rectangular plates are considered for the detailed numerical studies. Results of displacements, stresses and frequencies are compared with those of other refined theories and exact theory to show the efficiency of the proposed theory. Good agreement is achieved of the present results with those of higher order shear deformation theory (HSDT) and elasticity theory. Moreover, results demonstrate that the developed two variable refined plate theory is simple for solving the flexural and free vibration responses of thick bridge deck and can achieve the same accuracy of the existing HSDTs which have more number of variables.
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.
Kim, Kyuwon;Kim, Jeongsoo;Kang, Dongyoon;Kim, Moon Kyum
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.23
no.4
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pp.65-73
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2019
A spiral steel pipe has been more used widely as a structural member as well as transport pipeline because the pipe can be manufactured continuously, consequently more economical than the conventional UOE pipe. As improved pipe manufacture technology makes spiral pipes to have high strength and to have larger diameters, the spiral pipes have been recently used as long distance transport pipeline with a large diameter and strain-based design is thus required to keep structural integrity and cost effectiveness of the spiral pipe. However, design codes of spiral pipe have not been completely established yet, and structural behaviors of a spiral pipe are not clearly understood for strain-based design. In this paper, the effects of residual stresses due to the spiral pipe manufacture process are investigated on the flexural behavior of the spiral pipe. Finite element analyses were conducted to estimate residual stresses due to the manufacturing process for the pipes which have different forming angle, thickness, and strength, respectively. After that, the results were used as initial conditions for flexural analysis of the pipe to numerically investigate its flexural behaviors.
Lightweight concrete is a superior material due to its light weight and high strength. There however remain significant lacunae in engineering knowledge with regards to shear failure of lightweight fiber reinforced concrete beams. The main aim of the present study is to investigate the optimum usage of steel fibers in lightweight fiber reinforced concrete (LWFRC). Multi-scale finite element model calibrated with experimental results is developed to study the effect of steel fibers on the mechanical properties of LWFRC beams. To decrease the amount of steel fibers, it is preferred to reinforce only the middle section of the LWFRC beams, where the flexural stresses are higher. For numerical simulation, a multi-scale finite element model was developed. The cement matrix was modeled as homogeneous and uniform material and both steel fibers and lightweight coarse aggregates were randomly distributed within the matrix. Considering more realistic assumptions, the bonding between fibers and cement matrix was considered with the Cohesive Zone Model (CZM) and its parameters were determined using the model update method. Furthermore, conformity of Load-Crack Mouth Opening Displacement (CMOD) curves obtained from numerical modeling and experimental test results of notched beams under center-point loading tests were investigated. Validating the finite element model results with experimental tests, the effects of fibers' volume fraction, and the length of the reinforced middle section, on flexural and residual strengths of LWFRC, were studied. Results indicate that using steel fibers in a specified length of the concrete beam with high flexural stresses, and considerable savings can be achieved in using steel fibers. Reducing the length of the reinforced middle section from 50 to 30 cm in specimens containing 10 kg/m3 of steel fibers, resulting in a considerable decrease of the used steel fibers by four times, whereas only a 7% reduction in bearing capacity was observed. Therefore, determining an appropriate length of the reinforced middle section is an essential parameter in reducing fibers, usage leading to more affordable construction costs.
In the present paper, an analytical model is proposed to determine the flexural and shear strength of normal and high-strength reinforced concrete beams with longitudinal bars, in the presence of transverse stirrups. The model is based on evaluation of the resistance contribution due to beam and arch actions including interaction with stirrups. For the resistance contribution of the main bars in tension the residual bond adherence of steel bars, including the effect of stirrups and the crack spacing of R.C. beams, is considered. The compressive strength of the compressed arch is also verified by taking into account the biaxial state of stresses. The model was verified on the basis of experimental data available in the literature and it is able to include the following variables in the resistance provision: - geometrical percentage of steel bars; - depth-to-shear span ratio; - resistance of materials; - crack spacing; - tensile stress in main bars; - residual bond resistance including the presence of stirrups;- size effects. Finally, some of the more recent analytical expressions able to predict shear and flexural resistance of concrete beams are mentioned and a comparison is made with experimental data.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.05a
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pp.119-124
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2001
A general procedure to implement the sensitivity analysis of PSC flexural members is proposed based on the analytical calculation of the gradients of stresses and strains with respect to the 21 design variables in a closed format. The formulation covers the long term losses including concrete creep, shrinkage, and PS steel relaxation as well as load effects. The derived formulation is applied to the rectangular section PSC beam with prestressing and nonprestressing steels for the sensitivity analysis. The analytically calculated sensitivity results are compared with those numerically calculated.
Kim, Sung-Bo;Han, Man-Yop;Kim, Moon-Young;Ji, Tea-Sug;Jung, Kyoung-Hwan
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.2
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pp.207-216
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2007
The flexural behavior of steel composite beam with built-up cross-section by bolt connection is presented in this paper. The composite effect due to bolt-connetion and friction between steel plate are considered to investigate the flexural behavior of steel composite beam. The displacement, bending stresses and shear stresses according to composite rate are calculated by F.E. analysis and these results are compared to the analytical values of non interaction beam and full interaction beam. As a result of analysis, the behavior of composite beam is more dependant on the composite rate than the friction of the steel plate. When the composite rate reaches $50{\sim}60%$, the behavior of composite beam is similar to that of fully composite beam.
Lee Seung-Bea;Jang Su-Youn;Kim Sang-Sik;Lee Jin-Seop
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.17
no.6
s.90
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pp.1033-1042
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2005
Until recently tensile stresses in concrete have not been considered, since it does not affect the ultimate strength of reinforced concrete flexural members significantly However, to verify the load-deflection relationship, the effect of tensile stresses between reinforcing bars and concrete, so-called tension stiffening effect must be taken into account. Main parameters of the tension stiffening behavior are known as concrete strength, and bond between concrete and reinforcing bars. In this study total twenty specimens subjected to bending were tested with different concrete strength, coverage, and de-bonding length of longitudinal bars. The effects of these parameters on the flexural rigidity, crack initiation and propagation were carefully checked and analyzed.
Chiu, Chien-Kuo;Saputra, Jodie;Putra, Muhammad Dachreza Tri Kurnia
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.6
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pp.757-770
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2022
For the design of flexural and shear crack control for reinforced concrete (RC) beams related to serviceability and reparability ensuring, eight simply-supported normal-strength reinforced concrete (NSRC) beam specimens are tested and the existing high-strength reinforced concrete (HSRC) experimental data are included in the investigation of this work. According to the investigation results of flexural and shear cracks, this works modifies the existing design formulas to determine the spacing of the tensile reinforcement for the flexural crack control of a HSRC/NSRC beam design. Additionally, for a specified shear crack width of 0.4 mm, the allowable stresses of the shear reinforcement are also identified. For the serviceability and reparability ensuring of HSRC/NSRC beams, this works proposes the relationship curves between the maximum flexural width and allowable stress of the tensile reinforcement, and the relationship curves between the shear crack width and allowable shear force that can be used to do the crack width control directly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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