Nonlinear dynamic analysis of a reinforced concrete (RC) frame under earthquake loading is performed in this paper on the basis of a hysteretic moment-curvature relation. Unlike previous analytical moment-curvature relations which take into account the flexural deformation only with the perfect-bond assumption, by introducing an equivalent flexural stiffness, the proposed relation considers the rigid-body-motion due to anchorage slip at the fixed end, which accounts for more than 50% of the total deformation. The advantage of the proposed relation, compared with both the layered section approach and the multi-component model, may be the ease of its application to a complex structure composed of many elements and on the reduction in calculation time and memory space. Describing the structural response more exactly becomes possible through the use of curved unloading and reloading branches inferred from the stress-strain relation of steel and consideration of the pinching effect caused by axial force. Finally, the applicability of the proposed model to the nonlinear dynamic analysis of RC structures is established through correlation studies between analytical and experimental results.
The present research investigates the combination resonance behaviors of porous FG shallow shells reinforced with oblique stiffeners and subjected to a two-term excitation. The oblique stiffeners considered in this research reinforce the shell internally and externally. To model the stiffeners, Lekhnitskii's smeared stiffeners technique is utilized. According to the first-order shear deformation theory (FSDT) and stress functions, a nonlinear model of the oblique stiffened shallow shell is established. With regard to the FSDT and von-Kármán nonlinear geometric assumptions, the stress-strain relationships for the present shell system are developed. Also, in order to discretize the nonlinear governing equations, the Galerkin method is implemented. To obtain the required relations for investigating the combination resonance theoretically, the method of multiple scales is applied. For verifying the results of the present research, generated results are compared with previous research. Additionally, a comparison with the P-T method is conducted to increase the validity of the generated results, as this method has illustrated advantages over other numerical methods in terms of accuracy and reliability. In this method, the piecewise constant argument is used jointly with the Taylor series expansion, which is why it is named the P-T method. The effects of stiffeners with different angles, and the effects of material parameters on the combination resonance behaviors of the present system are addressed. With the findings of this research, researchers and engineers in this field may use them as benchmarks for their design and research of porous FG shallow shells.
Large post-buckling behavior of Timoshenko beams subjected to non-follower axial compression loads are studied in this paper by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Two types of support conditions for the beams are considered. In the case of beams subjected to compression loads, load rise causes compressible forces end therefore buckling and post-buckling phenomena occurs. It is known that post-buckling problems are geometrically nonlinear problems. The considered highly non-linear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. There is no restriction on the magnitudes of deflections and rotations in contradistinction to von-Karman strain displacement relations of the beam. The beams considered in numerical examples are made of lower-Carbon Steel. In the study, the relationships between deflections, rotational angles, critical buckling loads, post-buckling configuration, Cauchy stress of the beams and load rising are illustrated in detail in post-buckling case.
Koksal, H. Orhun;Jafarov, Oktay;Doran, Bilge;Aktan, Selen;Karakoc, Cengiz
Structural Engineering and Mechanics
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v.48
no.5
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pp.737-755
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2013
This paper aims to develop a practical approach to modeling of fiber reinforced polymers (FRP) strengthened masonry panels. The main objective is to provide suitable relations for the material characterization of the masonry constituents so that the finite element applications of elasto-plastic theory achieves a close fit to the experimental load-displacement diagrams of the walls subjected to in-plane shear and compression. Two relations proposed for masonry columns confined with FRP are adjusted for the cohesion and the internal friction angle of both units and mortar. Relating the mechanical parameters to the uniaxial compression strength and the hydrostatic pressure acting over the wall surface, the effects of major and intermediate principal stresses ${\sigma}_1$ and ${\sigma}_2$ on the yielding and the shape of the deviatoric section are then reflected into the analyses. Performing nonlinear finite element analyses (NLFEA) for the three walls tested in two different studies, their stress-strain response and failure modes are eventually evaluated through the comparisons with the experimental behavior.
This paper presents the results of a study on the capability of nonlinear quasi-static finite element modelling in simulating the hysteretic behaviour of CFRP and GFRP-retrofitted RC exterior beam-column joints under cyclic loads. Four specimens including two plain and two CFRP/GFRP-strengthened beam-column joints tested by Mahini and Ronagh (2004) and other researchers are modelled using ANSYS. Concrete in compression is defined by the modified Hognestad model and anisotropic multi-linear model is employed for modelling the stress-strain relations in reinforcing bars while anisotropic plasticity is considered for the FRP composite. Both concrete and FRP are modelled using solid elements whereas space link elements are used for steel bars considering a perfect bond between materials. A step by step load increment procedure to simulate the cyclic loading regime employed in the testing. An automatically reforming stiffness matrix strategy is used in order to simulate the actual seismic performance of the RC concrete after cracking, steel yielding and concrete crushing during the push and pull loading cycles. The results show that the hysteretic simulation for all specimens is satisfactory and therefore suggest that the numerical model can be used as an inexpensive tool to design of FRP-strengthened RC beam-column joints under cyclic loads.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.3
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pp.919-930
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2014
In this study, the load capacities and behaviors of a shotcrete member with steel supports, as composite member, are investigated numerically by using a fiber section element. The cross section of a shotcrete lining with steel support is divided into a bundle of fibers, which are allocated nonlinear stress-strain relations and used for determining internal forces. To verify the used approach of the finite element method for shotcrete with steel supports, the load-displacement relations of shotcrete lining obtained by numerical analysis are compared with existing experimental results and are analyzed with the stress distribution of the shotcrete and steel support obtained numerically. As a result, it is shown that the proposed approach can predict the load capacities of each material and the overall nonlinear behavior of shotcrete lining with steel supports. The change of location of the neutral axis and the flexural resistance ratio of each material are also derived from the stress distribution of the cross section of the shotcrete lining with steel supports. From the results, it is concluded that the flexural resistance performance of steel support should be considered in shotcrete lining design.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.6
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pp.130-137
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2018
Many constitutive models for concrete have been developed to predict the nonlinear behavior of concrete members considerably. The constitutive model for reinforcing bar that include the tension stiffening effect due to the bond characteristics between steel bars and concrete is being studied but the bilinear model is generally used. It was found that the buckling of the longitudinal reinforcing bars is controlled the nonlinear behavior of hybrid precast concrete panel, which is being developed for core wall. In this study, the constitutive models that can consider the embedding and buckling effects of reinforcing bar are investigated and a new model combing these constitutive models is proposed. In order to verify the proposed model, the analysis results are compared with experimental results of the concrete wall and hybrid precast concrete panel. The analysis of embedding-effect-only modeling predicted that the deformation increases continually without the decrease in the load carrying capacity. However, the analysis results of proposed model showed good agreement with some experimental results, thus verifying the proposed computational model.
The objective of this study is to develop polymer-impregnated concrete(PIC), which is a newly developed composite material made by impregnating polymer impregnanls into hardened normal concrete, and to develop analytical techniques for its proper applications. Crystalline methyl methacrylate(MMA) is chosen as a monomer of polymer impregnants. The corrlpositions of polymer impregnants and producing processes are developed by analyzing the effects of penetration, polymerization, thermal safety, and strengthening characteristics. On t he basis of experimental results of this study, various strength characteristics and stress strain constitutive relations are formulated in terms of the compressive strength of normal concrete and the polymer loadings, which can be applied for analysis and design of PIC members. In order to provide a model for fracture analysis of flexural members, fracture toughness, fracture energy, critical crack width, and tension softening relations near crack tip are also formulated in terms of member depth, initial notch depth, and the flexural strength of normal concrete. The structural analysis procedure and the finite element computer program developed in the study are applicable to evaluate elastic behavior, ultimate strength, and tension softening behavior of MMA type PIC structural members subject to various loading conditions. The accuracy and effectiveness of the developed computer program is examined by comparing the anal ytical results with the experimental results. Therefore, it is concluded that the developed structural analysis procedure and the finite element computer program are applicable to analysis and design of in-situ and precast PIC structural members.
The effects of nanotechnology and smartness on the buckling reduction of pipes are the main contributions of present work. For this ends, the pipe is simulated with classical piezoelectric polymeric cylindrical shell reinforced by armchair double walled boron nitride nanotubes (DWBNNTs), The structure is subjected to combined electro-thermo-mechanical loads. The surrounding elastic foundation is modeled with a novel model namely as orthotropic nonhomogeneous Pasternak medium. Using representative volume element (RVE) based on micromechanical modeling, mechanical, electrical and thermal characteristics of the equivalent composite are determined. Employing nonlinear strains-displacements and stress-strain relations as well as the charge equation for coupling of electrical and mechanical fields, the governing equations are derived based on Hamilton's principal. Based on differential quadrature method (DQM), the buckling load of pipe is calculated. The influences of electrical and thermal loads, geometrical parameters of shell, elastic foundation, orientation angle and volume percent of DWBNNTs in polymer are investigated on the buckling of pipe. Results showed that the generated ${\Phi}$ improved sensor and actuator applications in several process industries, because it increases the stability of structure. Furthermore, using nanotechnology in reinforcing the pipe, the buckling load of structure increases.
Grommet is one of the Automotive rubber components and is made from EPDM(Ethylene Propylene Diene monomer M-class) rubber and the nonlinear hyperelastic material properties of rubber are important to predict the behavior of rubber product. In this study, the stable stress-strain relations were obtained from the uni-axial tension test and the equi-biaxial tension test. Finite element analysis for grommet was carried out and heat aging test for the lifetime prediction of grommet was introduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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