In designing short to medium-span bridges, continuous composite bridges are becoming popular due to their advantages. However, if the concrete slab in continuous composite bridge is not prestressed, negative moment occurs in the mid-support and creates problems such as cracks in the concrete slab. Therefore. it must be considered in design. Two methods of arrangement of shear connectors were conducted using finite element elastic plastic analysis. Partial interaction theory was introduced and an analytical solution based on this theory was derived. The differences in the degree of interaction were investigated using analytical solutions and finite element analyses of simple composite beam and continuous composite beams. The results of the analyses were used to determine the advantage and disadvantages as well as any precaution when necessary using partial composite during actual design and construction.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.1
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pp.95-110
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2010
A numerical model to simulate bond-slip behavior of composite beam bridges is introduced in this paper. Assuming a linear bond stress-slip relation along the interface between the slab and girder, the slip behavior is implemented into a finite element formulation. Adopting the introduced model, the slip behavior can be taken account even in a beam element which is composed of both end nodes only. Governing equation of the slip behavior, based on the linear partial interaction theory, can be determined from the force equilibrium and a constant curvature distribution across the section of a composite beam. Since the governing equation for the slip behavior requires the moment values at both end nodes, the piecewise linear distribution of the constant bending moment in an element is assumed. Analysis results by the model are compared with numerical results and experimental values, and load-displacement relations of composite beams were then evaluated to verify the validity of the proposed model.
The primary objective of this study is to examine the influence of geometry on the stability characteristics of cylindrical microstructures. This investigation entails a stability analysis of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical imperfect concrete beam, focusing on the impact of geometry. Both the first-order shear deformation beam theory and the modified coupled stress theory are employed to explore the buckling and dynamic behaviors of the structure. The cylinder-shaped imperfect beam is constructed using a porosity-dependent functionally graded (FG) concrete material, wherein diverse porosity voids and material distributions are incorporated along the radial axis of the beam. The radius functions are considered in both uniform and nonuniform variations, reflecting their alterations along the length of the beam. The combination of these characteristics leads to the creation of BD-FG configurations. In order to enable the assessment of stability using energy principles, a numerical technique is utilized to formulate the equations for partial derivatives (PDEs).
In this paper, a two-layer partial interaction composite beams model considering the higher order shear deformation of sub-elements is built. Then, the governing differential equations and boundary conditions for static analysis of linear elastic higher order composite beams are formulated by means of principle of minimum potential energy. Subsequently, analytical solutions for cantilever composite beams subjected to uniform load are presented by Laplace transform technique. As a comparison, FEM for this problem is also developed, and the results of the proposed FE program are in good agreement with the analytical ones which demonstrates the reliability of the presented exact and finite element methods. Finally, parametric studies are performed to investigate the influences of parameters including rigidity of shear connectors, ratio of shear modulus and slenderness ratio, on deflections of cantilever composite beams, internal forces and stresses. It is revealed that the interfacial slip has a major effect on the deflection, the distribution of internal forces and the stresses.
This paper presents the vibration damping characteristic of a single lap joint beam with partial dampers analyzed using the model strain energy method and the harmonic response analysis which were based on a finite element model. The two finite element analysis methods exhibited very similar results of the resonant frequency and system loss factor which were comparable to those by the theoretical analysis. Effects of the location of partial dampers and elastic moduli and thickness of their layers on the system loss factor were studied. The damping effects due to changes of modules and loss factor of the viscoelastic layer in lap joint and partial dampers were also studied. Consequently, the geometrical and material conditions at maximizing the system loss factor were suggested.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.8
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pp.4048-4057
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2013
In the composite beam subjected to the hogging moment it is very difficult to evaluate the influence of the reduction of slab stiffness due to cracks and their development on the horizontal shear behavior of shear connection. In this study, a 3D FE model is developed by which one can analyze the composite action in the composite beam subjected to the hogging moment. In this FE model, each structural member and shear connection are modeled as similar as possible to details of the composite beam. Bending behaviour, and composite action which could not be analyzed using the existing 1D or 2D FE model are investigated by the 3D model. Analysis results show that the reinforcement ratio and crack behaviour of the slab are main factors which exert a strong influence on the composite action. According to the analysis results about load-slip behavior, initial crack of slab and yielding of rebars have a influence on the slip stiffness of shear connection. The existing experimental results, that the design of partial interaction can be more efficient in designing of shear connection of the composite beams, are indirectly verified by the FE analysis.
Saggaff, A.;Tahir, M.M.;Sulaiman, A.;Ngian, S.P.;Mirza, J.
Structural Engineering and Mechanics
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v.55
no.4
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pp.765-784
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2015
Connections are usually designed either as pinned usually associated with simple construction or rigid normally is associated with continuous construction. However, the actual behaviour falls in between these two extreme cases. The use of partial strength or semi-rigid connections has been encouraged by Euro-code 3 and studies on semi-continuous construction have shown substantial savings in steel weight of the overall construction. Composite connections are proposed in this paper as partial or full strength connections. Standardized connection tables are developed based on checking on all possible failure modes as suggested by "component method" for beam-to-column composite connection on major axis. Four experimental tests were carried out to validate the proposed standardised connection table. The test results showed good agreement between experimental and theoretical values with the ratio in the range between 1.06 to 1.50. All tested specimens of the composite connections showed ductile type of failure with the formation of cracks occurred on concrete slab at maximum load. No failure occurred on the Trapezoidal Web Profiled Steel Section as beam and on the British Section as column.
Starting with the geometrically non-linear formulation and the subsequent linearization, this paper presents a consistent formulation of the exact mechanical analysis of geometrically and materially linear three-layer continuous planar beams. Each layer of the beam is described by the geometrically linear beam theory. Constitutive laws of layer materials and relationships between interlayer slips and shear stresses at the interface are assumed to be linear elastic. The formulation is first applied in the analysis of a three-layer simply supported beam. The results are compared to those of Goodman and Popov (1968) and to those obtained from the formulation of the European code for timber structures, Eurocode 5 (1993). Comparisons show that the present and the Goodman and Popov (1968) results agree completely, while the Eurocode 5 (1993) results differ to a certain degree. Next, the analytical solution is used in formulating a general procedure for the analysis of layered continuous beams. The applications show the qualitative and quantitative effects of the layer and the interlayer slip stiffnesses on internal forces, stresses and deflections of composite continuous beams.
There is not enough mixed finite element method (MFEM) model developed for static and dynamic analysis of functionally graded material (FGM) beams in the literature. The main purpose of this study is to develop a reliable and efficient computational modeling using an efficient functional in MFEM for free vibration and static analysis of FGM composite beams subject to high order shear deformation effects. The modeling of material properties was performed using mixture rule and Mori-Tanaka scheme which are more realistic determination techniques. This method based on the assumption that a two phase composite material consisting of matrix reinforced by spherical particles, randomly distributed in the beam. To explain the displacement components of the shear deformation effects, it was accepted that the shear deformation effects change sinusoidal. Partial differential field equations were obtained with the help of variational methods and then these equations were transformed into a novel functional for FGM beams with the help of Gateaux differential derivative operator. Thanks to the Gateaux differential method, the compatibility of the field equations was checked, and the field equations and boundary conditions were reflected to the function. A MFEM model was developed with a total of 10 degrees of freedom to apply the obtained functional. In the numerical applications section, free vibration and flexure problems solutions of FGM composite beams were compared with those predicted by other theories to show the effects of shear deformation, thickness changing and boundary conditions.
An equivalent single-layer theory (EST) is put forward for analyzing free vibrations of steel-concrete composite beams (SCCB) based on a higher-order beam theory. In the EST, the effect of partial interaction between sub-beams and the transverse shear deformation are taken into account. After using the interlaminar shear force continuity condition and the shear stress free conditions at the top and bottom surface, the displacement function of the EST does not contain the first derivatives of transverse displacement. Therefore, the C0 interpolation functions are just demanded during its finite element implementation. Finally, the EST is validated by comparing the results of two simply-supported steel-concrete composite beams which are tested in laboratory and calculated by ANSYS software. Then, the influencing factors for free vibrations of SCCB are analyzed, such as, different boundary conditions, depth to span ratio, high-order shear terms, and interfacial shear connector stiffness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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