In this paper, an improved theoretical interfacial stress and slip analysis is presented for simply supported composite steel-concrete beam bonded with an adhesive. The adherend shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a linear shear stress through the thickness of the adherends, while all existing solutions neglect this effect. Remarkable effect of shear deformations of elements has been noted in the results. It is observed that large shear is concentrated and slip at the edges of the composite steel-concrete. Comparing with some experimental results from references, analytical advantage of this improvement is possible to determine the normal and shear stress to estimate exact prediction of normal and shear stress interfacial along span between concrete and steel beam. The exact prediction of these stresses will be very important to make an accurate analysis of the mode of fracture. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite steel-concrete beam. This research is helpful for the understanding on mechanical behavior of the connection and design of such structures.
Halahla, Abdulsamee M.;Rahman, Muhammad K.;Al-Gadhib, Ali H.;Al-Osta, Mohammed A.;Baluch, Mohammed H.
Earthquakes and Structures
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v.17
no.4
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pp.337-354
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2019
This paper presents the results of experimental and numerical studies conducted to investigate the behavior of exterior reinforced concrete beam column joints (BCJ) strengthened by using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets. Twelve reinforced concrete beam-column joints (BCJ) were tested in an experimental program by simulating the joints in seismically deficient old buildings. One group of BCJs was designed to fail in flexure at the BCJ interface, and the second group was designed to ensure joint shear failure. One specimen in each set was -retrofitted with CFRP sheet wrapped diagonally around the joint. The specimens were subjected to both monotonic and cyclic loading up to failure. 3D finite element simulation of the BCJs tested in the experimental program was carried out using the software ABAQUS, adopting the damage plasticity model (CDP) for concrete. The experimental results showed that retrofitting of the shear deficient, BCJs by CFRP sheets enhanced the strength and ductility and the failure mode changed from shear failure in the joints to the desired flexural failure in the beam segment. The FE simulation of BCJs showed a good agreement with the experimental results, which indicated that the CDP model could be used to model the problems of the monotonic and cyclic loading of beam-column reinforced concrete joints.
This paper aims to investigate the axial load behavior and stability strength of square tubed steel-reinforced concrete (TSRC) columns. Unlike concrete filled steel tubular (CFST) column, the outer steel tube of a TSRC column is mainly used to provide confinement to the core concrete. Ten specimens were tested under axial compression, and the main test variables included length-to-width ratio (L/B) of the specimens, width-to-thickness ratio (B/t) of the steel tubes, and with or without stud shear connectors on the steel sections. The failure mode, ultimate strength and load-tube stress response of each specimen were summarized and analyzed. The test results indicated that the axial load carried by square tube due to friction and bond of the interface increased with the increase of L/B ratio, while the confinement effect of tube was just the opposite. Parametric studies were performed through ABAQUS based on the test results, and the feasibility of current design codes has also been examined. Finally, a method for calculating the ultimate strength of this composite column was proposed, in which the slenderness effect on the tube confinement was considered.
A versatile 4-node shell element which is useful for the analysis of arbitrary shell structures is presented. The element is developed by flat shell approach, i.e., by combining a membrane element with a Mindlin plate element. The proposed element has six degrees of freedom per node and permits an easy connection to other types of finite elements. In the plate bending part, an improved Mindlin plate has been established by the combined use of the addition of non-conforming displacement modes (N) and the substitute shear strain fields (S). In the membrane part, the nonconforming displacement modes are also added to the displacement fields to improve the behavior of membrane element with drilling degrees of freedom and the modified numerical integration (M) is used to overcome the membrane locking problem. Thus the element is designated as NMS-4F. The rigid link correction technique is adopted to consider the effect of out-of-plane warping. The shell element proposed herein passes the patch tests, does not show any spurious mechanism and does not produce shear and membrane locking phenomena. It is shown that the element produces reliable solutions even for the distorted meshes through the analysis of benchmark problems.
Integral abutment bridges have many advantages over bridges with expansion joints in terms of economy and maintenance costs. However, in the design of abutments of integral bridges temperature loads play a crucial role. In addition, seismic loads are readily transferred to the substructure and affect the design of these components significantly. Currently, the European and American bridge design codes consider these two load cases separately in their recommended design load combinations. In this paper, the importance and necessity of combining the thermal and seismic loads is investigated for integral bridges. A 2D finite element combined pile-soil-structure interactive model is used in this evaluation. Nonlinear behavior is assumed for near field soil behind the abutments. The soil around the piles is modeled by nonlinear springs based on p-y curves. The uniform temperature changes occurring at the time of some significant earthquakes around the world are gathered and applied simultaneously with the corresponding earthquake time history ground motions. By comparing the results of these analyses to prescribed AASHTO LRFD load combinations it is observed that pile forces and abutment stresses are affected by this new load combination. This effect is more severe for contraction mode which is caused by negative uniform temperature changes.
This paper presents the experimental results of flexural and compression steel members strengthened with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) sheets. In the flexural test, the five specimens were fabricated and the test parameters were the number of CFRP ply and the ratio of partial-length bonded CFRP sheets of specimen. The CFRP sheet strengthened steel beam had failure mode: CFRP sheet rupture at the mid span of steel beams. A maximum increase of 11.3% was achieved depending on the number of CFRP sheet ply and the length of CFRP sheet. In the compression test, the nine specimens were fabricated and the main parameters were: width-thickness ratio (b/t), the number of CFRP ply, and the length of the specimen. From the tests, for short columns it was observed that two sides would typically buckle outward and the other two sides would buckle inward. Also, for long columns, overall buckling was observed. A maximum increase of 57% was achieved in axial-load capacity when 3 layers of CFRP were used to wrap HSS columns of b/t = 60 transversely.
Altin, Sinan;Anil, Ozgur;Toptas, Tolga;Kara, M. Emin
Steel and Composite Structures
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v.11
no.3
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pp.207-223
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2011
The results of an experimental investigation are presented in this paper for retrofitting of shear damaged reinforced concrete beams by using U shaped CFRP strips. The experimental program is consisted of seven shear deficient T cross sectioned 1/2 scale simply supported beam specimens. One beam was used as reference specimen, and the remaining six specimens were tested in two stages. At the first stage, specimens were shear damaged severely, and then were retrofitted by using CFRP strips with or without fan type anchorages. Finally, retrofitted beams were tested up to failure. Three different CFRP strip spacing were used such as 125 mm, 150 mm, and 200 mm. The effect of anchorages on shear strength and behavior of the retrofitted specimens is investigated. CFRP strips without anchorages improved the shear strength, but no flexural failure mode was observed. Specimens showed brittle shear failure due to peeling of CFRP strip from RC beam surface. Shear damaged specimens retrofitted with anchoraged CFRP strips showed improved shear strength and ductile flexural failure. Maximum strains at anchoraged strips were approximately 68% larger than that of strips without anchorages.
This paper describes effects of infill walls on behavior of RC frame with low strength, including numerical modeling, modal testing and finite-element model updating. For this purpose full scaled, one bay and one story RC frame is produced and tested for plane and brick in-filled conditions. Ambient-vibration testis applied to identify dynamic characteristics under natural excitations. Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification methods are used to obtain experimental dynamic characteristics. A numerical modal analysis is performed on the developed two-dimensional finite element model of the frames using SAP2000 software to provide numerical frequencies and mode shapes. Dynamic characteristics obtained by numerical and experimental are compared with each other and finite element model of the frames are updated by changing some uncertain modeling parameters such as material properties and boundary conditions to reduce the differences between the results. At the end of the study, maximum differences in the natural frequencies are reduced on average from 34% to 9% and a good agreement is found between numerical and experimental dynamic characteristics after finite-element model updating. In addition, it is seen material properties are more effective parameters in the finite element model updating of plane frame. However, for brick in-filled frame changes in boundary conditions determine the model updating process.
Lee, Kanghee;Lee, Seong Cheol;Kim, Won Tae;Park, Jagang;Min, Bumki;Rotermund, Fabian
Current Optics and Photonics
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v.4
no.4
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pp.373-379
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2020
In this study, we investigate terahertz (THz) generation by a photoconductive antenna with electrodes in the shape of split-ring resonators. According to our theoretical investigation based on a lumped-circuit model, the inductance of this electrode structure leads to resonant behavior of the photo-induced current. Hence, near the resonance frequency the spectral components generated by a resonant photoconductive antenna can be greater than those produced by a non-resonant one. For experimental verification, a resonant photoconductive antenna, which possesses a resonance mode at 0.6 THz, and a non-resonant photoconductive antenna with stripe-shaped electrodes were fabricated on a semi-insulating GaAs substrate. The THz generation by both of the photoconductive antennas demonstrated a good agreement with the theoretically expected results. The observed relationship between the resonant electrodes of the photoconductive antenna and the generated THz spectrum can be further employed to design a narrow-band THz source with an on-demand frequency.
Reinforced concrete flat plates consist of slabs supported directly on columns. The absence of beams makes these systems attractive due to advantages such as economical formwork, shorter construction time, less total building height with more clear space and architectural flexibility. Punching shear failure is usually the governing failure mode of flat plate structures. Punching failure is brittle in nature which induces more vulnerability to this type of structure. To analyze the flat plate behavior under punching shear, twelve finite element models of flat plate on a column with different parameters have been developed and verified with experimental results. The maximum range of variation of punching stress, obtained numerically, is within 10% of the experimental results. Additional finite element models have been developed to analyze the influence of integrity reinforcement, clear cover and column reinforcement. Variation of clear cover influences the punching capacity of flat plate. Proposed finite element model can be a substitute to mechanical model to understand the influence of clear cover. Variation of slab thickness along with column reinforcement has noteworthy impact on punching capacity. From the study it has been noted that integrity reinforcement can increase the punching capacity as much as 19 percent in terms of force and 101 percent in terms of deformation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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