Lee, Joon Kyu;Ko, Jun Young;Choi, Yong Hyuk;Park, Ku Byoung;Kim, Jae Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.1
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pp.39-48
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2021
In this paper, an analytical model is proposed for assessing the natural frequency of barrettes subjected to vertical loading. The differential equation governing the free vibration of rectangular friction piles embedded in inhomogeneous soil is derived. The governing equation is numerically integrated by Runge-Kutta technique and the eigenvalue of natural frequency is computed by Regula-Falsi method. The numerical solutions for the natural frequency of barrettes compare well with those obtained from finite element analysis. Illustrated examples show that the natural frequencies increase with an increase of the cross-sectional aspect ratio, the friction resistance ratio and the soil stiffness ratio, and decrease with an increase of the friction aspect ratio, the slenderness ratio and the load factor, respectively.
This study was conducted to investigate a potential of Yellow poplar (Liriodendron tulipifera L.) as a raw material for the manufacturing of particleboard (PB) and oriented strandboard (OSB). PB panels were prepared at the parameters of $0.7g/cm^3$ density, 15 mm thickness, three-layer, $E_1$ grade urea-formaldehyde (UF) resin, emulsion wax, and hardener. OSB panels were manufactured with a density of $0.65g/cm^3$, thickness of 10 mm, and $E_1$ grade of UF resin. Particle size of the face layer of PB was 20~80 mesh with 7~9% moisture content (MC), while that of core-layer was 3~20 mesh with 3~5% MC, which was similar to the production condition of commercial PB. As a result, the manufactured PB panels with 15.8 mm thickness, $0.7g/cm^3$ density, and 5.8% MC satisfied the requirement of bending strength of 15 type PB of Korean Industrial Standard (KS F 3104). Both internal bonding (IB) strength and surface screw withdrawal resistance also satisfied the requirement of 18 type PB of the standard. But, the edge screw withdrawal resistance satisfied the requirement of 15 type PB of the standard. These differences in properties could be due to the slenderness ratio of raw particles. In case of OSB panels with 10.7 mm thickness, $0.68g/cm^3$ density, and 5.8% MC satisfied all the requirements of bending strength, screw withdrawal resistance, and IB strength of 18 type PB of the standard. These results suggest that Yellow poplar wood has a good potential as a raw material for the production of PB and OSB.
This paper presents a finite element model which can simulate the axial compression behavior of steel reinforced recycled concrete (SRRC) filled square steel tube columns using the ABAQUS software. The analytical model was established by selecting the reasonable nonlinear analysis theory and the constitutive relationship of material in the columns. The nonlinear analysis of failure modes, deformation characteristics, stress nephogram, and load-strain curves of columns under axial loads was performed in detail. Meanwhile, the influences of recycled coarse aggregate (RCA) replacement percentage, profile steel ratio, width thickness ratio of square steel tube, RAC strength and slenderness ratio on the axial compression behavior of columns were also analyzed carefully. It shows that the results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results, which verifies the validity of the analytical model. The axial bearing capacity of columns decreased with the increase of RCA replacement percentage. While the increase of wall thickness of square steel tube, profile steel ratio and RAC strength were all beneficial to improve the bearing capacity of columns. Additionally, the parameter analysis of finite element analysis on the columns was also carried out by using the above numerical model. In general, the SRRC filled square steel tube columns have high bearing capacity and good deformation ability. On the basis of the above analysis, a modified formula based on the American ANSI/AISC 360-10 was proposed to calculate the nominal axial bearing capacity of the columns under axial loads. The research conclusions can provide some references for the engineering application of this kind of columns.
In the present study, the nonlinear magneto-electro-mechanical free vibration behavior of rectangular double-bonded sandwich microbeams based on the modified strain gradient theory (MSGT) is investigated. It is noted that the top and bottom sandwich microbeams are considered with boron nitride nanotube reinforced composite face sheets (BNNTRC-SB) with electrical properties and carbon nanotube reinforced composite face sheets (CNTRC-SB) with magnetic fields, respectively, and also the homogenous core is used for both sandwich beams. The connections of every sandwich beam with its surrounding medium and also between them have been carried out by considering Pasternak foundations. To take size effect into account, the MSGT is introduced into the classical Timoshenko beam theory (CT) to develop a size-dependent beam model containing three additional material length scale parameters. For the CNTRC and BNNTRC face sheets of sandwich microbeams, uniform distribution (UD) and functionally graded (FG) distribution patterns of CNTs or BNNTs in four cases FG-X, FG-O, FG-A, and FG-V are employed. It is assumed that the material properties of face sheets for both sandwich beams are varied in the thickness direction and estimated through the extended rule of mixture. On the basis of the Hamilton's principle, the size-dependent nonlinear governing differential equations of motion and associated boundary conditions are derived and then discretized by using generalized differential quadrature method (GDQM). A detailed parametric study is presented to indicate the influences of electric and magnetic fields, slenderness ratio, thickness ratio of both sandwich microbeams, thickness ratio of every sandwich microbeam, dimensionless three material length scale parameters, Winkler spring modulus and various distribution types of face sheets on the first two natural frequencies of double-bonded sandwich microbeams. Furthermore, a comparison between the various beam models on the basis of the CT, modified couple stress theory (MCST), and MSGT is performed. It is illustrated that the thickness ratio of sandwich microbeams plays an important role in the vibrational behavior of the double-bonded sandwich microstructures. Meanwhile, it is concluded that by increasing H/lm, the values of first two natural frequencies tend to decrease for all amounts of the Winkler spring modulus.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.43
no.2
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pp.187-193
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2023
This paper presents the buckling behavior of a pile considering its self-weight. The differential equation and boundary conditions governing the buckling of partially embedded piles in nonhomogeneous soils are derived. The buckling load and mode shape of the pile are numerically computed by the Runge-Kutta method combined with the Regula-Falsi algorithm. The obtained numerical solutions for bucking loads agree well with the results available from the literature. Numerical examples are given to analyze the buckling load and mode shape of the piles as affected by the self-weight, embedment ratio, slenderness ratio and boundary condition of the pile as well as the aspect ratio and rigidity ratio of the subgrade reaction. It is found that the self-weight of the pile leads to the reduction of the buckling load, indicating that neglecting the effect of self-weight may overestimate the buckling load of partially embedded piles.
In nanosized structures as the surface area to the bulk volume ratio increases the classical continuum mechanics approaches fails to investigate the mechanical behavior of such structures. In perforated nanobeam structures, more decrease in the bulk volume is obtained due to perforation process thus nonclassical continuum approaches should be employed for reliable investigation of the mechanical behavior these structures. This article introduces an analytical methodology to investigate the size dependent, surface energy, and perforation impacts on the nonclassical bending behavior of regularly squared cutout nanobeam structures for the first time. To do this, geometrical model for both bulk and surface characteristics is developed for regularly squared perforated nanobeams. Based on the proposed geometrical model, the nonclassical Gurtin-Murdoch surface elasticity model is adopted and modified to incorporate the surface energy effects in perforated nanobeams. To investigate the effect of shear deformation associated with cutout process, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams theories are developed. Mathematical model for perforated nanobeam structure including surface energy effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Closed forms for the nonclassical bending and rotational displacements are derived for both theories considering all classical and nonclassical kinematics and kinetics boundary conditions. Additionally, both uniformly distributed and concentrated loads are considered. The developed methodology is verified and compared with the available results and an excellent agreement is noticed. Both classical and nonclassical bending profiles for both thin and thick perforated nanobeams are investigated. Numerical results are obtained to illustrate effects of beam filling ratio, the number of hole rows through the cross section, surface material characteristics, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical bending behavior of perforated nanobeams in the presence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the bending deflection compared with the corresponding effect of the surface elasticity, Es. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
Mona M. Fawzy;Fattouh M. F. Shaker;Alia M. Ayyash;Mohamed M. Salem
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.1-13
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2024
The objective of this research is to study experimentally and numerically the behavior of steel beam columns with openings. Although the presence of openings in the beam columns is inevitable, finding ways to maintain strength is crucial. The studied parameters are opening shape, the ratio between opening height to specimen height, the percentage of opening location from support to beam column length, and web slenderness. Experimental tests are conducted including twelve specimens to study the effect of these parameters and record failure load, load deflection curve, and stress strain curve. Two failure modes are observed: local and flexural buckling. Interaction curves plotted from finite element model analysis are also used to expand the parametric study. Changing the location of the opening can decrease failure load by up to 7% and 60% in both normal and moment ratios respectively. Increasing the opening dimension can lead to a drop in the axial ratio by up to 29% and in the moment ratio by up to 74%. The weakest beam column behavior is noticed in specimens with rectangular openings which results from uneven and concentrated stresses around the opening. The main results of this research illustrate that the best location for opening is at 40% - 50% from beam column support. Also, it is advisable to use circular openings instead of rectangular openings in specimens having slender webs because moment ratios are raised by 85% accompanied by a rise in normal ratios by 9%.
Deifalla, Ahmed F.;Fattouh, Fattouh M.;Fawzy, Mona M.;Hussein, Ibrahim S.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.6
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pp.793-803
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2019
Concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns are widely used owing to their good performance. They have high strength, ductility, large energy absorption capacity and low costs. Externally stiffened CFST beam-columns are not used widely due to insufficient design equations that consider all parameters affecting their behavior. Therefore, effect of various parameters (global, local slenderness ratio and adding hoop stiffeners) on the behavior of CFST columns is studied. An experimental study that includes twenty seven specimens is conducted to determine the effect of those parameters. Load capacities, vertical deflections, vertical strains and horizontal strains are all recorded for every specimen. Ratio between outer diameter (D) of pipes and thickness (t) is chosen to avoid local buckling according to different limits set by codes for the maximum D/t ratio. The study includes two loading methods on composite sections: steel only and steel with concrete. The case of loading on steel only, occurs in the connection zone, while the other load case occurs in steel beam connecting externally with the steel column wall. Two failure mechanisms of CFST columns are observed: yielding and global buckling. At early loading stages, steel wall in composite specimens dilated more than concrete so no full bond was achieved which weakened strength and stiffness of specimens. Adding stiffeners to the specimens increases the ultimate load by up to 25% due to redistribution of stresses between stiffener and steel column wall. Finally, design equations previously prepared are verified and found to be only applicable for medium and long columns.
Spherical reticulated shells are widely applied in structural engineering due to their good bearing capability and attractive appearance. Parametric modeling of spherical reticulated shells is the basis of internal analysis and optimization design. In the present study, generation methods of nodes and the corresponding connection methods of rod elements are proposed. Modeling programs are compiled by adopting the ANSYS Parametric Design Language (APDL). A shape optimization method based on the two-stage algorithm is presented, and the corresponding optimization program is compiled in FORTRAN environment. Shape optimization is carried out based on the objective function of the minimum total steel consumption and the restriction condition of strength, stiffness, slenderness ratio, stability. The shape optimization of four typical Schwedler spherical reticulated shells is calculated with the span of 30 m~80 m and rise to span ratio of 1/7~1/2. Compared with the shape optimization results, the variation rules of total steel consumption along with the span and rise to span ratio are discussed. The results show that: (1) The left and right rod-Schwedler spherical reticulated shell is the most optimized and should be preferentially adopted in structural engineering. (2) The left diagonal rod-Schwedler spherical reticulated shell is second only to left and right rod regarding the mechanical behavior and optimized results. It can be applied to medium and small-span structures. (3) Double slash rod-Schwedler spherical reticulated shell is advantageous in mechanical behavior but with the largest total weight. Thus, this type can be used in large-span structures as far as possible. (4) The mechanical performance of no latitudinal rod-Schwedler spherical reticulated shell is the worst and with the second largest weight. Thus, this spherical reticulated shell should not be adopted generally in engineering.
The purpose of this research is to evaluate the capacity of strength and plastic deformation of those members, and provide experimental data on the seismic behavior of these members as a basis for developing guidelines for designing seismically resistant concrete-filled steel tubular columns. Eighteen cantilever-type specimens were tested under constant axial load and cyclically lateral load as models of bottom columns in high-rise building. The parameters studied in the test program included, are width-thickness ratio of steel tube, slenderness ratio (Lo/D) and axial force ratio. From the test results, the effects of parameters on the strength, the deformation capacity, energy absorption capacity are discussed. The specimen flexural capacity under combined axial and lateral loading was found to be almost accurately predicted by criteria AIJ and AISC-LRFD providing conservative results. Therefore KSSC for encased composite column can be applied to the concrete filled column if composite section and elastic modulus are modified according to AIJ and AISC-LRFD. Finally, the proposed flexural capacity considering confinement effects is a food agreement on the tests results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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