Alaa A. Abdelrahman;Hanaa E. Abd-El-Mottaleb;Mohamed G. Elblassy;Eman A. Elshamy
Steel and Composite Structures
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v.49
no.6
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pp.667-684
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2023
In the context of finite element method, a computational simulation is presented to study and analyze the dynamic behavior of regularly perforated functionally graded rotating beam for the first time. To investigate the effect of perforation configurations, both regular circular and squared perforation patterns are studied. To explore impacts of graded material distributions, both axial and transverse gradation profiles are considered. The material characteristics of graded materials are assumed to be smoothly and continuously varied through the axial or the thickness direction according the nonlinear power gradation law. A computational finite elements procedure is presented. The accuracy of the numerical procedure is verified and compared. Resonant frequencies, axial displacements as well as internal stress distributions throughout the perforated graded rotating cantilever beam are studied. Effects of material distributions, perforation patterns, as well as the rotating beam speed are investigated. Obtained results proved that the graded material distribution has remarkable effects on the dynamic performance. Additionally, circular perforation pattern produces more softening effect compared with squared perforation configuration thus larger values of axial displacements and maximum principal stresses are detected. Moreover, squared perforation provides smaller values of nondimensional frequency parameters at most of vibration modes compared with circular pattern.
This paper presents an in-depth analysis of the nonlinear vibration of microbeams, with a particular emphasis on their application in sports monitoring systems. The research utilizes classical beam theory, modified couple stress theory, and von-Kármán nonlinear parameters to explore the behavior of microbeams. These microbeams are characterized by a non-uniform geometry, with materials that continuously change along the beam radius and a thickness that varies along the beam length. The main contribution lies in its exploration of the stability of smart sensors in sports structures, particularly those with non-uniform geometries. The research findings indicate that these non-uniform microbeams, when used in smart systems made of functionally graded temperature-dependent materials, can operate effectively in thermal environments. The smart system developed in this study demonstrates significant potential for use in sports applications, particularly in monitoring and gathering information. The insights gained from this research contribute to the understanding of the performance and optimization of microbeams in sports applications, particularly in the context of non-uniform geometries. This research, therefore, provides a foundation for the development of advanced, reliable, and efficient monitoring systems in sports applications.
Analytical methods for assessment of the out-of-plane buckling of unbraced top chords of truss bridges may look obsolete while comparing them to finite element analysis. However they are, usually, superior when rapid assessment is necessary. Analytical methods consider the top chord as a bar on elastic supports provided by bracing (Holt, Timoshenko). Correct assessment of the support elasticity (stiffness) is crucial. In the case of truss bridge spans of traditional structural layout (cross-beams at the truss chord nodes only), the elasticity may be set based on the analysis of the, so called, U-frame stiffness. Here the analyses consider the U-frame itself (a pair of verticals and a cross-beam) or the U-frame with adjacent diagonals or the pair of diagonals (in the absence of verticals) and the members of the bottom chord in the adjacent panels. For all the cases, the stability analysis of the chord as a bar in compression is necessary. Unfortunately, the method cannot be applied to contemporary truss bridges without verticals, that usually have independent cross-beam decks (the cross-beams attached to truss chords at their nodes and between them). This is the motivation for the analysis resulting in the method of setting the stiffness of the equivalent U-frame for the aforementioned truss bridges. Truss girders of both, gussetless and gusseted, joints are taken into account.
In the present analysis, the buckling behavior of smart beams integrated into racket frames for enhancing player control was examined by numerical solutions and sinusoidal shear deformation theory. The smart beam under consideration is subjected to an external voltage in the thickness direction. The integration of this smart material into the structure of the racket should optimize performance, improving the racket's stability and responsiveness during play. In this, an accurate representation of complex shear effects is made by using a sinusoidal shear deformation theory, while the solution of the resulting governing equations is made by numerical methods. The critical buckling loads and the characteristics of deformation obtained through the analysis provide insight into some design parameters controlling and influencing stability. Obtained results are validated with other published works. The length and thickness of the beam, elastic medium, boundary condition, and influence of external voltages have been represented for buckling load in the structure. These results will help in designing smart racket frames using smart beams to provide more precision and control for the players in an intelligent way.
Typical composite girder has been composed with conventional concrete deck and steel girder. Recently, ultrahigh-performance-concrete (UHPC) deck is proposed in order to enhance durability and reduce weight of deck as well as to increase stiffness and strength of the composite girder. This study investigates that a headed stud is still compatible as a shear connector for the UHPC deck and steel girder composite beam. Twelve push-out specimens are prepared to evaluate the static strength of stud shear connectors embedded in the UHPC deck. The test program proves that the static strength of the stud shear connectors embedded in UHPC well meets with design codes described in AASHTO LRFD. Chosen experimental variables are aspect ratio of height to diameter of stud, thickness of deck and thickness of concrete cover over the head of stud. From the test program, aspect ratio and cover thickness are investigated to mitigate the regulations of the existing design codes. The minimum aspect ratio and the minimum cover thickness given in AASHTO LRFD are four and 50mm, respectively. This limitation hinders to lower the thickness of the UHPC deck. The results of the experiment program give that the aspect ratio and the cover thickness can be lower down to three and 25mm, respectively. Eurocode-4 regulates characteristic relative slip at least 6mm. However, test results show that stud shear connectors embedded in UHPC provide the characteristic relative slip only about 4mm. Therefore, another measures to increase ductility of stud should be prepared.
This paper describes the effect of strain hardening cement composite (SHCC) material on structure performance of reinforced concrete (RC) beams with high-strength reinforcing bar. Also, this paper explores the structure application of SHCC in order to mitigation cracking damage and improve the ductility of flexural RC members. The prediction model for flexural strength of doubly reinforced SHCC beams are investigated in this study. To achieve the these objectives, a total of 6 rectangular beam specimens were tested under four point monotonic loading condition. The main parameters included the types of cement composite and reinforcing bar. Test results indicated that reinforced beam specimens with SHCC material were improved the structure performances and damage characteristics. Specifically, replacement of conventional high-strength concrete with SHCC materials has the potential of high-strength steel bar as flexural reinforcement on RC members. It is remarkable that suggested method of reinforced SHCC beams with high-strength reinforcing bar could be used usefully to the structure design.
Yoo, Seung-Woon;Bae, Han-Ug;Oliva, Michael;Bank, Lawrence
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.19
no.1
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pp.67-74
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2007
We perform an experimental study of concrete beam with pultruded fiber reinforced polymer(FRP) plank using as a permanent formwork and the tensile reinforcement. A satisfactory bond at the interface between the smooth surface of the pultruded plank and the concrete must be developed for the FRP plank and the concrete to act as a composite structural member. Two kinds of aggregate were bonded to the FRP plank using a commercially available epoxy. No additional flexural or shear reinforcement was provided in the beams. For comparison we test two types of control specimen. One control did not have any aggregate bonded to the FRP plank and the other control had infernal steel reinforcing bars instead of the FRP plank. The beams were loaded by central patch load to their ultimate capacity. The experimental results were compared to current ACI 318 (2005) and ACI 440 (2006) code predictions. This study demonstrates that the FRP plank has the potential to serve as formwork and reinforcing for concrete structures.
Recently, FRB is being used more as reinforcement of RC beam thanks to its material advantages in construction industry. The external attachment reinforcement of FRP is a construction method with advantages such as high strength, stiffness, excellent durability and construction practicability, despite of its weight. However, the reinforcement has a disadvantage to cause damage on permanent structure as its structure is water-tight by low water permeability reinforcement, preventing water from draining outside. The study attempted flexural failure test for GP of which material properties are equally same as the existing FRP and that with permeability, shows good binding with the concrete structure, durable performance and durability, comparably analyzing the improvement of durability and ductility according to changes of fiber contents of composite strip.
Hosseinpour, Emad;Baharom, Shahrizan;Badaruzzaman, Wan Hamidon W.;Shariati, Mahdi;Jalali, Abdolrahim
Steel and Composite Structures
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v.26
no.4
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pp.485-499
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2018
In this paper, a hollow steel tube (HST) shear connector is proposed for use in a slim-floor system. The HST welded to a perforated steel beam web and embedded in concrete slab. A total of 10 push-out tests were conducted under static loading to investigate the mechanical behavior of the proposed HST connector. The variables were the shapes (circular, square and rectangular) and sizes of hollow steel tubes, and the compressive strength of the concrete. The failure mode was recorded as: concrete slab compressive failure under the steel tube and concrete tensile splitting failure, where no failure occurred in the HST. Test results show that the square shape HST in filled via concrete strength 40 MPa carried the highest shear load value, showing three times more than the reference specimens. It also recorded less slip behavior, and less compressive failure mode in concrete underneath the square hollow connector in comparison with the circular and rectangular HST connectors in both concrete strengths. The rectangular HST shows a 20% higher shear resistance with a longer width in the load direction in comparison with that in the smaller dimension. The energy absorption capacity values showed 23% and 18% improvements with the square HST rather than a headed shear stud when embedded in concrete strengths of 25 MPa and 40 MPa, respectively. Moreover, an analytical method was proposed and predicts the shear resistance of the HST shear connectors with a standard deviation of 0.14 considering the shape and size of the connectors.
The increasing use of performance-based approaches in structural fire engineering design of multi-storey composite buildings has prompted the development of various tools to help quantify the influence of tensile membrane action in composite slabs at elevated temperatures. One simplified method which has emerged is the Bailey-BRE membrane action method. This method predicts slab capacities in fire by analysing rectangular slab panels supported on edges which resist vertical deflection. The task of providing the necessary vertical support, in practice, requires protecting a panel's perimeter beams to achieve temperatures of no more than $620^{\circ}C$ at the required fire resistance time. Hence, the integrity of this support becomes critical as the slab and the attached beams deflect, and large deflections of the perimeter beams may lead to a catastrophic failure of the structure. This paper presents a finite element investigation into the effects of vertical support along slab panel boundaries on the slab behaviour in fire. It examines the development of the membrane mechanism for various degrees of edge-beam protection, and makes comparisons with predictions of the membrane action design method and various acceptance criteria.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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