The addition of steel fibers in concrete mixture is recognized as a non-conventional mass reinforcement scheme that improves the torsional, flexural, and shear behavior of structural members. However, the analysis of fiber reinforced concrete beams under combined torsion, bending, and shear is limited because of the complicated nature of the problem. Therefore, nonlinear 3D finite element analysis was conducted using the "ANSYS CivilFEM" program to investigate the behavior of fiber reinforced concrete L-beams. These beams were tested at different reinforcement schemes and loading conditions. The reinforcement case parameters were set as follows: reinforced with longitudinal reinforcement only and reinforced with steel bars and stirrups. All beams were tested under two different combined loading conditions, namely, torsion-to-shear ratio (T/V) = 545 mm (high eccentricity) and T/V = 145 mm (low eccentricity). Eight intermediate L-beams were constructed and tested in a laboratory under combined torsion, bending, and shear to validate the finite element model. Comparisons with the experimental data reveal that the program can accurately predict the behavior of L-beams under different reinforcement cases and combined loading ratios. The ANSYS model accurately predicted the loads and deformations for various types of reinforcements in L-beams and captured the concrete strains of these beams.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.37
no.2
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pp.357-367
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2017
Bending and axial forces simultaneously occur at the cross-section of a shotcrete lining reinforced with steel supports due to the tunnel geometry. The shotcrete has changing flexural stiffness depending on the axial forces and, as a result, severely nonlinear behavior. The mechanical properties of a shotcrete-steel composite also depend on the type of steel support. This study presents a fiber section element model considering the effect of axial force to evaluate the nonlinear behavior of a shotcrete-steel composite. Additionally, the model was used to analyze the effects of different types of steel supports on the load capacity. Furthermore, a modified hyperbolic model for ground reaction, including strain-softening, is proposed to account for the ground-lining interaction. The model was validated by comparing the numerical results with results from previous load test performed on arched shotcrete specimens. The changes in mechanical responses of the lining were also investigated. Results show a lining with doubly reinforcement rebar has similar load capacity as a lining with H-shaped supports. The use of more materials for the steel support enhances the residual resistance. For all types of steel reinforcement, the contribution of steel supports during peak load decreases as the ground becomes stiffer.
The impacts of waste tire rubber (WTR) on the bending conduct of reinforced concrete beams (RCBs) are investigated in visualization of experimental tests and 3D finite element model (FEM) using both ANSYS and SAP2000. Several WTR rates are used in total 4 various full scale RCBs to observe the impact of WTR rate on the rupture and bending conduct of RCBs. For this purpose, the volumetric ratios (Vf) of WTR were chosen to change to 0%, 2.5%, 5% and 7.5% in the whole concrete. In relation to experimental test consequences, bending and rupture behaviors of the RCBs are observed. The best performance among the beams was observed in the beams with 2.5% WTR. Furthermore, as stated by test consequences, it is noticed that while WTR rate in the RCBs is improved, max. bending in the RCBs rises. For test consequences, it is clearly recognized as WTR rate in the RCB mixture is improved from 0% to 2.5%, deformation value in the RCB remarkably rises from 3.89 cm to 7.69 cm. This consequence is markedly recognized that WTR rates have a favorable result on deformation values in the RCBs. Furthermore, experimental tests are compared to 3D FEM consequences via using ANSYS software. In the ANSYS, special element types are formed and nonlinear multilinear misses plasticity material model and bilinear misses plasticity material model are chosen for concrete and compression and tension elements. As a consequence, it is noticed that each WTR rates in the RCBs mixture have dissimilar bending and rupture impacts on the RCBs. Then, to observe the impacts of WTR rate on the constructions under near-fault ground motions, a reinforced-concrete building was modelled via using SAP2000 software using 3-D model of the construction to complete nonlinear static analysis. Beam, column, steel haunch elements are modeled as nonlinear frame elements. Consequently, the seismic impacts of WTR rate on the lateral motions of each floor are obviously investigated particularly. Considering reduction in weight of structure and capacity of the members with using waste tire rubber, 2.5% of WTR resulted in the best performance while the construction is subjected to near fault earthquakes. Moreover, it is noticeably recognized that WTR rate has opposing influences on the seismic displacement behavior of the RC constructions.
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.
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 Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.6
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pp.67-80
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2011
This paper presents the results of shaking table tests on a 1:5 scale 10-story R.C. wall-type residential building model. The following conclusions are drawn based on the test results. (1) The model responded linear elastically under the excitations simulating an earthquake with a return period of 50 years, and showed a nonlinear response under the excitations simulating the design earthquake of Korea. (2) The model showed a significant strength drop under the maximum considered earthquake, with a return period of 2400 years. (3) The major portion of the resistance to lateral inertia forces came from the walls used for the elevator and stair case. (4) Finally, the damage and failure modes appear to be due to the flexural behavior of walls and slabs. A significant deterioration of stiffness and an elongation of the fundamental periods were observed under increased earthquake excitations.
In this study, a continuous optimum design model with its application program for plane steel frame structures developed. In the model, the sequential unconstrained minimization technique (SUMT) transforming the nonlinear optimization problem with multidesign variables and constraints into an unconstrained minimization problem and the refined plastic hinge analysis method as one of the most effective second-order inelastic analysis methods for steel frame structures were implemented. The total weight of a steel frame structure was taken as the objective function, and the AISC-LRFD code requirements for the local and member buckling, flexural strength, shear strength, axial strength and size of the cross-sectional shapes of members were used for the derivation of constraint equations. To verify the appropriateness of the present model, the optimum designs of serveral plane steel frame structures subject to vertical and horizontal loads were conducted.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.6
no.4
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pp.79-88
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1986
A nonlinear cumulative damage theory, which can model the effects of the magnitude and sequence of variable amplitude fatigue loadings, is proposed. The concrete beam specimens are prepared and tested in four-point flexural loading conditions. The variable-amplitude fatigue loadings in two and three stages are considered. The present experimental study indicates that the fatigue failure of concrete is greatly influenced by the magnitude and sequence of applied, variable-amplitude fatigue loadings. It is seen that the linear damage theory proposed by Palmgren and Miner is not directly applicable to the concrete under such loading cases. The sum of the cumulative damage is found to be greater than 1 when the magnitude of fatigue loading is gradually increased and less than 1 when the magnitude of fatigue loading is gradually decreased. The proposed nonlinear damage theory, which includes the effects of the magnitude and sequence of applied fatigue loadings, allows more realistic fatigue analysis of concrete structures.
Yun, Ik Jung;Lho, Byeong Cheol;Kim, Moon Kyum;Cho, Sung Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2A
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pp.207-214
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2008
This study presents a way to validate the quality level of the proposed connection type and verify the experimental test, and performs a 3D nonlinear analysis corresponding to the experimental test. Two mixed-structure beams were cast and tested under a four-point static loading. Force-displacement relation, force-strain relation, force-opening width, and failure mode were observed from comparing the numerical results of the adopted FE model. Nonlinear analysis of mixed structures was carried out by utilizing the contact elements of a general purpose structural analysis computer program (ABAQUS). The results of numerical and experimental simulation show that the proposed L-shaped connection has greater stiffness under flexural loading and better structural performance with regard to the connection.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.3A
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pp.153-162
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2011
Composite box-girder with corrugated steel webs has been widely used in civil engineering practice as an alternative of conventional pre-stressed concrete box-girder because the efficiency of pre-stressing can be increased and weight reduction of superstructure can be achieved by replacing concrete webs as a corrugated steel webs. However, most of previous researches were limited in shear and flexural behavior of such girder so that the torsional behaviors of composite box-girder with corrugated steel webs are not fully understood yet and it needs to be investigated. Some of previous researchers developed the nonlinear theory for torsional analysis of composite box-girder with corrugated steel webs. However, their theories were developed by ignoring the tensile behavior of concrete. Thus, there are certain limitations in analysis of serviceability such as cracking moment and torsional stiffness of the girder. This paper presents the analytical model for torsional behavior of composite box-girder with corrugated steel webs considering tensile behavior of concrete. Based on the proposed analytical model, nonlinear torsional analysis program of composite box-girder with corrugated steel webs was developed. Then, for verification of validation of the developed model, test for the girder was conducted and the results were compared with those of analytical model. Finally, parametric study was conducted and the effects of tensile behavior of concrete on the torsional behavior of the girder were discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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