Purpose: This study attempts at analyzing mechanical response of functionally graded material (FGM) plates in bending. An accurate and effective numerical approach based on isogeometric analysis (IGA) combined with higher-order shear deformation plate theory to predict the nonlinear flexural behavior is developed. Method: A higher-order shear deformation theory(HSDT) which accounts for the geometric nonlinearity in the von Karman sense is presented and used to derive the equilibrium and governing equations for FGM plate in bending. The nonlinear equations are solved by the modified Newton-Raphson iterative technique. Result: The volume fraction, plate length-to-thickness ratio and boundary condition have signifiant effects on the nonlinear flexural behavior of FGM plates. Conclusion: The proposed IGA method can be used as an accurate and effective numerical tool for analyzing the mechanical responses of FGM plates in flexure.
Shaker, Fattouh M.F.;Ghanem, Gouda M.;Deifalla, Ahmed F.;Hussein, Ibrahim S.;Fawzy, Mona M.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.3
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pp.295-307
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2022
The objective of this research is to study experimentally the behavior of stiffened steel tubes (CFSTs). Considered parameters are stiffening methods by through-bolts or shear connectors with different configurations. In addition, the effect of global (ratio between length to diameter) and local (proportion between diameter to thickness) slenderness ratios are investigated. Load application either applied on steel only or both steel and concrete is studied as well. Case of loading on steel only happens when concrete inside the column shrinks. The purpose of the research is to improve the behavior of CFSTs by load transfer between them and different stiffening methods. A parametric experimental study that incorporates thirty-three specimens is carried out to highlight the impact of those parameters. Different outputs are recorded for every specimen such as load capacities, vertical deflections, longitudinal strains, and hoop strains. Two modes of failure occur, yielding and global buckling. Shear connectors and through-bolts improve the ultimate load by up to 5% for sections loaded at steel with different studied global slenderness and local slenderness equal 63.5. Meanwhile, shear connectors or through bolts increase the ultimate load by up to 6% for global slenderness up to 15.75 for sections loaded on composite with local slenderness equals 63.50. Recommendations for future design code development are outlined.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.2
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pp.105-116
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2010
The estimation of surface settlement, ground behavior and tunnel displacement are the main factors in urban tunnel design with shallow depth and unconsolidated soil. On deformation analysis of shallow tunnel, it is important to identify possible deformation mechanism of shear bands developing from tunnel shoulder to the ground surface. This paper investigated the effects of key design parameter affecting deformation behavior by numerical analysis using nonlinear model incorporating the reduction of shear stiffness and strength parameters with the increment of the maximum shear strain after the initiation of plastic yielding. Numerical parametric studies are carried out to consider the reduction of shear stiffness and strength parameters, horizontal stress ratio, cohesion and shotcrete thickness.
In this investigation, an improved integral trigonometric shear deformation theory is employed to examine the vibrational behavior of the functionally graded (FG) sandwich plates resting on visco-Pasternak foundations. The studied structure is modelled with only four unknowns' variables displacements functions. The simplicity of the developed model being in the reduced number of variables which was made with the help of the use of the indeterminate integral in the formulation. The current kinematic takes into consideration the shear deformation effect and does not require any shear correction factors as used in the first shear deformation theory. The equations of motion are determined from Hamilton's principle with including the effect of the reaction of the visco-Pasternak's foundation. A Galerkin technique is proposed to solve the differentials governing equations, which enables one to obtain the semi-analytical solutions of natural frequencies for various clamped and simply supported FG sandwich plates resting on visco-Pasternak foundations. The validity of proposed model is checked with others solutions found in the literature. Parametric studies are performed to illustrate the impact of various parameters as plate dimension, layer thickness ratio, inhomogeneity index, damping coefficient, vibrational mode and elastic foundation on the vibrational behavior of the FG sandwich plates.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.3
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pp.27-36
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2024
This study established a BIM procedure considering manufacturing errors in the production process, and evaluated the flexural ductility of precast all-lightweight aggregate concrete special shear walls (PLASWs) with spliced sleeve technique. In the production process, the concrete cover thickness of PALSW was on average 1.28 times greater than the cross-sectional details of the specimen modeled with Revit BIM program. In particular, the bending inner radius of the hoop and inner-cross tie were greater than the designed details. Consequently, the confinement effect of core concrete reduced from 64% to 54% due to the manufacturing errors in the transverse reinforcing bars, resulting in a decrease in the ductility of PALSW by approximately 4.91%. Considering these findings, the BIM of PLASW with spliced sleeve technique should compliment the bending inner radius of the transverse reinforcing bars, and the defined brittleness increase coefficient reflecting the decreased core concrete confining pressure in the stress-strain relationship of confined concrete should be evaluated as 1.8.
Mokhtar Nebab;Hassen Ait Atmane;Riadh Bennai;Mouloud Dahmane
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.1
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pp.83-96
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2024
This paper suggests an analytical approach to investigate the free vibration and stability of functionally graded (FG) beams with both perfect and imperfect characteristics using a quasi-3D higher-order shear deformation theory (HSDT) with stretching effect. The study specifically focuses on FG beams resting on variable elastic foundations. In contrast to other shear deformation theories, this particular theory employs only four unknown functions instead of five. Moreover, this theory satisfies the boundary conditions of zero tension on the beam surfaces and facilitates hyperbolic distributions of transverse shear stresses without the necessity of shear correction factors. The elastic medium in consideration assumes the presence of two parameters, specifically Winkler-Pasternak foundations. The Winkler parameter exhibits variable variations in the longitudinal direction, including linear, parabolic, sinusoidal, cosine, exponential, and uniform, while the Pasternak parameter remains constant. The effective material characteristics of the functionally graded (FG) beam are assumed to follow a straightforward power-law distribution along the thickness direction. Additionally, the investigation of porosity includes the consideration of four different types of porosity distribution patterns, allowing for a comprehensive examination of its influence on the behavior of the beam. Using the virtual work principle, equations of motion are derived and solved analytically using Navier's method for simply supported FG beams. The accuracy is verified through comparisons with literature results. Parametric studies explore the impact of different parameters on free vibration and buckling behavior, demonstrating the theory's correctness and simplicity.
Alaa A. Abdelrahman;Mohamed Ashry;Amal E. Alshorbagy;Mohamed A. Eltaher;Waleed S. Abdalla
Steel and Composite Structures
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v.53
no.2
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pp.169-194
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2024
Although the excellent characteristics of functionally graded materials (FGMs) cracks could be found due to manufacturing defects or extreme working conditions. The existence of these cracks may threaten the material or structural strength, reliability, and lifetime. Due to high cost and restrictions offered by practical operational features these cracked components couldn't be replaced immediately. Such circumstances lead to the requirement of assessing the dynamic performance of cracked functionally graded structural components especially under moving objects. The present study aims to comprehensively investigate the dynamic behavior of functionally graded cracked Timoshenko beams (FGCTBs) resting on Winkler foundation and subjected to moving load through shear locking free finite elements methodology. The through thickness material distribution is simulated by the exponential gradation law. The geometric discontinuity due to cracks is represented using the massless rotational spring approach. The shear locking phenomena is avoided by using the different interpolation functions orders for both deflections and rotations. Based on Timoshenko beam element, a shear locking free finite elements methodology is developed. The unconditionally stable Newmark procedure is employed to solve the forced vibration problem. Accuracy of the developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results and an excellent agreement is found. Parametric studies are conducted to explore effects of the geometrical, material characteristics, crack geometrical characteristics, the elastic foundation parameter, and the moving load speed on the dynamic behavior for different boundary conditions. Obtained results revealed the significant effect these parameters on the dynamic performance of FGCTBs.
The failure phenomenon of overlaid concrete structures, such as surface crack and peel-off failure in the contact zone, was investigated due to temperature shock(rainfall). To investigate this failure phenomenon, the surface tensile stress, and the shear stress, the vertical tensile stress in the contact zone were analysed using the non-linear stress-strain relationship of material such as strain-hardening- and strain-softening diagrams. Rainfall intensity, overlay thickness and overlay material were the main variables in the analyses. It is assumed that the initial temperature of overlaid concrete structures was heated up to 55$\^{C}$ by the solar heat. With a rain temperature 10$\^{C}$ and the rainfall intensity of nR=1/a, tR=10min, 60min, the stress states of overlaid concrete structures were calculated. The result shows that only fictitious cracks occurred in the overlay surface and no shear bond failure occurred in the contact zone. The vortical tensile stress increasing with overlay thickness was proved to be the cause of peel-off failure in the contact zone. The formulae for relationship between the vertical tensile stress and overlay thickness, material properties were derived. Using this formulae, it is possible to select proper material and overlay thickness to prevent failure in the contact zone due to temperature shock caused by rainfall.
The purpose of this in vitro study was to evaluate dentin bonding by two different dentin bonding systems(DBS) using acetone based primer or adhesive [All Bond 2(AB2), One Step(OS)] when they were applied by wet or dry bonding technique. Morphology of resin-dentin interface and hybrid layer thickness(HLT) were investigated using Confocal Laser Scanning Microscope(CLSM) and compared to shear bond strength(SBS). 72 extracted sound human molars were randomly divided into 4 groups of 18 teeth each - Group 1.(AW); AB2 by wet bonding. Group 2(AD); AB2 by dry bonding. Group 3.(OW); OS by wet bonding, Group 4.(OD); OS by dry bonding. In 6 teeth of each group, notch-shaped class V cavities(depth 2mm) were prepared on buccal and lingual surface at the cementoenamel juction(12 cavities per group). To obtain color contrast in CLSM observation, bonding resins of each DBS were mixed with rhodamine B and primer of AB2 was mixed with sodium fluorescein. Prepared teeth of each group were treated with AB2, OS, respectively according to the manufacturer's instructions except for dentin surface moisture treatment after acid etching. In group 1 and 3, after acid etching, excess water was removed with wet tissue(Kimwipes), leaving consistently shiny, visibly hydrated dentin surface. In group 2 and 4, dentin surface was dried for 10 seconds at 1 inch distance. The treated teeth were then packed with composite resin(${\AE}$litefil) and light-cured. 12 microscopic samples($60{\sim}80{\mu}m$ thickness) of each group were obtained after longitudinal section and grinding(Exakt cutting and grinding system). Morphological investigation of resin-dentin interface and HLT measurement using CLSM were done. For measurement of SBS, remaining 12 teeth of each group were flattened occlusally to remove all enamel and grinded to 500 grit SiC(Pedemet Specimen Preparation Equipment). After applying DBS on the exposed dentin surface, composite resin was applied in the shape of cylinder, which has 5mm diameter, 1.5mm thickness, and light cured. SBS was measured using Instron with a crosshead speed of 0.5mm/min. It was concluded as follows, 1. HLT of AW(mean: $2.59{\mu}m$) was thicker than any other group, and followed by AD, OW, OD in descending order(mean; 2.37, 2.28, $1.92{\mu}m$). Only OD had statistically significant differences(p<0.05) to AW and AD. 2. There were intimate contact of resin and dentin at the interface in wet bonding groups, but gaps or irregular interfaces were observed in dry bonding groups. 3. The length, diameter, density of resin tags were various even in the same group without significant differences between groups and lots of adhesive lateral branches were observed. 4. There were no statistically significant difference of SBS between AB2 and OS, but SBS of wet bonding groups were significantly higher(p<0.05) than dry bonding groups. 5. There were no consistent relationships between HLT and SBS.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.1
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pp.79-87
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1991
An efficient numerical procedure for material and geometric nonlinear analysis of reinforced concrete shells under monotonically increasing loads through their elastic, inelastic and ultimate load ranges is developed by using the finite element method. The 8-node Serendipity isoparametric element developed by the degeneration approach including the transverse shear deformation is used. A layered approach is used to represent the steel reinforcement and to discretize the concrete behavior through the thickness. The total Lagrangian formulation based upon the simplified Von Karman strain expressions is used to take into account the geometric nonlinearity of the structure. The material nonlinearities are taken into account by comprising the tension, compression, and shear models of cracked concrete and a model for reinforcement in the concrete; and also a so-called smeared crack model is incorporated. The steel reinforcement is assumed to be in a uniaxial stress state and is modelled as a smeared layer of equivalent thickness. This method will be verified a useful tool to account for geometric and material nonlinearities in detailed analysis of reinforced concrete concrete shells of general form through numerical examples of the sequential paper( ).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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