Aging and deterioration of existing steel structures necessitate the development of simple and efficient rehabilitation techniques. The current study investigates a methodology to enhance the flexural capacity of steel beams by bonding Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sheets to their flanges. A heavy duty adhesive, tested in a previous study is used to bond the steel and the GFRP sheet. In addition to its ease of application, the GFRP sheet provides a protective layer that prevents future corrosion of the steel section. The study reports the results of bending tests conducted on a W-shaped steel beam before and after rehabilitation using GFRP sheets. Enhancement in the moment capacity of the beam due to bonding GFRP sheet is determined from the test results. A closed form analytical model that can predict the yield moment as well as the stresses induced in the adhesive and the GFRP sheets of rehabilitated steel beam is developed. A detailed finite element analysis for the tested specimens is also conducted in this paper. The steel web and flanges as well as the GFRP sheets are simulated using three-dimensional brick elements. The shear and peel stiffness of the adhesive are modeled as equivalent linear spring systems. The analytical and experimental results indicate that a significant enhancement in the ultimate capacity of the steel beam is achieved using the proposed technique. The finite element analysis is employed to describe in detail the profile of stresses and strains that develop in the rehabilitated steel beam.
This paper presents experimental and analytical results of fiber reinforced polymer (FRP) confined steel tubular columns under transverse impact loads. Influences of applied impact energy, thickness of FRP jacket and impact position were discussed in detail, and then the impact responses of FRP confined steel tubes were compared with bare steel tubes. The test results revealed that the FRP jacket contributes to prevent outward buckling deformation of steel at the clamped end and inward buckling of steel at the impact position. For the given applied impact energy, specimens wrapped with one layer and three layers of FRP have the lower peak impact loads than those of the bare steel tubes, whereas specimens wrapped with five layers of FRP exhibit the higher peak impact loads. All the FRP confined steel tubular specimens displayed a longer duration time than the bare steel tubes under the same magnitude of impact energy, and the specimen wrapped with one layer of FRP had the longest duration time. In addition, increasing the applied impact energy leads to the increase of peak impact load and duration time, whereas increasing the distance of impact position from the clamped end results in the decrease of peak impact load and the increase of duration time. The dynamic analysis software Abaqus Explicit was used to simulate the mechanical behavior of FRP confined steel tubular columns, and the numerical results agreed well with the test data. Analytical solution for lateral displacement of an equivalent cantilever beam model subjected to impact load was derived out. Comparison of analytical and experimental results shows that the maximum displacement can be precisely predicted by the present theoretical model.
An innovative retrofit method using pre-stressed steel strips and externally-bonded steel plates was presented in this paper. With the aim of exploring the seismic performance of the retrofitted RC interior joints, four 1/2-scale retrofitted joint specimens together with one control specimen were designed and subjected to constant axial compression and cyclic loading, with the main test parameters being the volume of steel strips and the existence of externally-bonded steel plates. The damage mechanism, force-displacement hysteretic response, force-displacement envelop curve, energy dissipation and displacement ductility ratio were analyzed to investigate the cyclic behavior of the retrofitted joints. The test results indicated that all the test specimens suffered a typical shear failure at the joint core, and the application of externally-bonded steel plates and that of pre-stressed steel strips could effectively increase the lateral capacity and deformability of the deficient RC interior joints, respectively. The best cyclic behavior could be found in the deficient RC interior joint retrofitted using both externally-bonded steel plates and pre-stressed steel strips due to the increased lateral capacity, displacement ductility and energy dissipation. Finally, based on the test results and the softened strut and tie model, a theoretical model for determining the shear capacity of the retrofitted specimens was proposed and validated.
The complete stress-strain behavior of steel fiber reinforced concrete in compression is needed for the analysis and design of structures. An experimental investigation was carried out to generate the complete stress-strain curve of high-performance steel fiber reinforced concrete (HPSFRC) with a strength range of 52-80 MPa. The variation in concrete strength was achieved by varying the water-to-cementitious materials ratio of 0.40-0.25 and steel fiber content (Vf = 0.5, 1.0 and 1.5% with l/d = 80 and 55) in terms of fiber reinforcing parameter, at 10% silica fume replacement. The effects of these parameters on the shape of stress-strain curves are presented. Based on the test data, a simple model is proposed to generate the complete stress-strain relationship for HPSFRC. The proposed model has been found to give good correlation with the stress-strain curves generated experimentally. Inclusion of fibers into HPC improved the ductility considerably. Equations to quantify the effect of fibers on compressive strength, strain at peak stress and toughness of concrete in terms of fiber reinforcing index are also proposed, which predicted the test data quite accurately. Compressive strength prediction model was validated with the strength data of earlier researchers with an absolute variation of 2.1%.
As one of the most common failure types of arch bridges, stability is one of the critical aspects for the design of arch bridges. Using 3D finite element model in ABAQUS, this paper has studied the stability performance of an arch bridge with inclined arch ribs and hangers, and the analysis also took the effects of geometrical and material nonlinearity into account. The impact of local buckling and residual stress of steel plates on global stability and the applicability of fiber model in stability analysis for steel arch bridges were also investigated. The results demonstrate an excellent stability of the arch bridge because of the transverse constraint provided by transversely-inclined hangers. The distortion of cross section, local buckling and residual stress of ribs has an insignificant effect on the stability of the structure, and the accurate ultimate strength may be obtained from a fiber model analysis. This study also shows that the yielding of the arch ribs has a significant impact on the ultimate capacity of the structure, and the bearing capacity may also be approximately estimated by the initial yield strength of the arch rib.
The contribution of steel fibers on the 28-day compressive strength of high-performance steel fiber reinforced concrete was investigated, is presented. An extensive experimentation was carried out over water-cementitious materials (w/cm) ratios ranging from 0.25 to 0.40, with silica fume-cementitious materials ratios from 0.05 to 0.15, and fiber volume fractions ($V_f$= 0.0, 0.5, 1.0 and 1.5%) with the aspect ratios of 80 and 53. Based on the test results of 44 concrete mixes, mathematical model was developed using statistical methods to quantify the effect of fiber content on compressive strength of HPSFRC in terms of fiber reinforcing index. The expression, being developed with strength ratios and not with absolute values of strengths, is independent of specimen parameters and is applicable to wide range of w/cm ratios, and used in the mix design of steel fiber reinforced concrete. The estimated strengths are within ${\pm}3.2%$ of the actual values. The model was tested for the strength results of 14 mixes having fiber aspect ratio of 53. On examining the validity of the proposed model, there exists a good correlation between the predicted values and the experimental values of different researchers. Equation is also proposed for the size effect of the concrete specimens.
Eleftheriadis, Stathis;Dunant, Cyrille F.;Drewniok, Michal P.;Rogers-Tizard, William;Kyprianou, Constantinos
Advances in Computational Design
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v.3
no.4
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pp.385-404
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2018
The study investigated an area of sustainable structural design that is often overlooked in practical engineering applications. Specifically, a novel method to simultaneously optimise the cost and embodied carbon performance of steel building structures was explored in this paper. To achieve this, a parametric design model was developed to analyse code compliant structural configurations based on project specific constraints and rigorous testing of various steel beam sections, floor construction typologies (precast or composite) and column layouts that could not be performed manually by engineering practitioners. Detailed objective functions were embedded in the model to compute the cost and life cycle carbon emissions of the different material types used in the structure. Results from a comparative numerical analysis of a real case study illustrated that the proposed optimisation approach could guide structural engineers towards areas of the solution space with realistic design configurations, enabling them to effectively evaluate trade-offs between cost and carbon performance. This significant contribution implied that the optimisation model could reduce the time required for the design and analysis of multiple structural configurations especially during the early stages of a project. Overall, the paper suggested that the deployment of automated design procedures can enhance the quality as well as the efficiency of the optimisation analysis.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.20
no.5
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pp.51-59
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2016
STS 321 stainless steel is generally used for a material of high-temperature and high-pressure system including liquid rocket engine. The constitutive equation for flow stress has been suggested using thermal stress component and athermal stress component based on Kocks dislocation barrier model to predict 321 stainless steel's deformation behavior at elevated temperature. The suggested model predicted well the material deformation behaviors of 321 stainless steel at the wide temperature range from room temperature to $500^{\circ}C$.
Semi-rigid connections with blind bolts could solve the difficulty that traditional high strength bolts were unavailable to splice a steel/composite beam to a closed section column. However, insufficient investigations have focused on the performance of semi-rigid connection to square concrete filled double-skin steel tubular (CFDST) columns. In this paper, a component model was developed to evaluate the mechanical behavior of semi-rigid composite connections to CFDST columns considering the stiffness and strength of column face in compression and column web in shear which were determined by the load transfer mechanism and superstition method. Then, experimental investigations on blind bolted composite joints to square CFDST columns were conducted to validate the accuracy of the component model. Dominant failure modes of the connections were analyzed and this type of joint behaved semi-rigid manner. More importantly, strain responses of CFDST column web and tubes verified that stiffness and strength of column face in compression and column web in shear significantly affected the connection mechanical behavior owing to the hollow part of the cross-section for CFDST column. The experimental and analytical results showed that the CFDST column to steel-concrete composite beam semi-rigid joints could be employed for the assembled structures in high intensity seismic regions.
Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems
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v.18
no.4
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pp.488-493
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2008
A mathematical model of molten steel level for continuous casting process is presented, where the molten steel level, input and output flow in the mold, the relation between stopper position and input flow etc. are considered. The mathematical model is implemented and simulated by using MATLAB. Comparing the result of molten steel level from the simulator with that of real plant, the performance of the model is shown to be reasonable. By using this simulator, it is shown that PI controller with variable P gain, adjusted by fuzzy logic system, has better control result than conventional PI controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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