For the spatially coupled free vibration analysis of shear deformable thin-walled non-symmetric curved beam subjected to initial axial force, an exact dynamic element stiffness matrix of curved beam is evaluated. Firstly equations of motion and force-deformation relations are rigorously derived from the total potential energy for a curved beam element. Next a system of linear algebraic equations are constructed by introducing 14 displacement parameters and transforming the second order simultaneous differential equations into the first order simultaneous differential equations. And then explicit expressions for displacement parameters are numerically evaluated via eigensolutions and the exact $14{\times}14$ dynamic element stiffness matrix is determined using force-deformation relations. To demonstrate the accuracy and the reliability of this study, the spatially coupled natural frequencies of shear deformable thin-walled non-symmetric curved beams subjected to initial axial forces are evaluated and compared with analytical and FE solutions using isoparametric and Hermitian curved beam elements and results by ABAQUS's shell elements.
Zhou, Xu-Hong;Li, Bin-Yang;Gan, Dan;Liu, Jie-Peng;Chen, Y. Frank
Steel and Composite Structures
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v.23
no.4
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pp.453-464
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2017
The square tubed-reinforced concrete (TRC) column is a kind of special concrete-filled steel tube (CFST) columns, in which the outer thin-walled steel tube does not pass through the beam-column joint, so that the longitudinal steel reinforcing bars in the RC beam are continuous through the connection zone. However, there is a possible decrease of the axial bearing capacity at the TRC column to RC beam connection due to the discontinuity of the column tube, which is a concern to engineers. 24 connections and 7 square TRC columns were tested under axial compression. The primary parameters considered in the tests are: (1) connection location (corner, exterior and interior); (2) dimensions of RC beam cross section; (3) RC beam type (with or without horizontal haunches); (4) tube type (with or without stiffening ribs). The test results show that all specimens have relatively high load-carrying capacity and satisfactory ductility. With a proper design, the connections exhibit higher axial resistance and better ductility performance than the TRC column. The feasibility of this type of connections is verified.
The current study presents a new technique in the framework of the nonlocal elasticity theory for a comprehensive buckling analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made up of bidirectional functionally graded material (BDFGM). The mechanical properties are considered by exponential and arbitrary variations for axial and transverse directions, respectively. The various circumstances including tapering, resting on two-parameter elastic foundation, step-wise or continuous variations of axial loading, various shapes of sections with various distribution laws of mechanical properties and various boundary conditions like the multi-span beams are taken into account. As far as we know, for the first time in the current work, the buckling analyses of BDFGM nano-beams are carried out under mentioned circumstances. The critical buckling loads and mode shapes are calculated by using energy method and a new technique based on calculus of variations and collocation method. Fast convergence and excellent agreement with the known data in literature, wherever possible, presents the efficiency of proposed technique. The effects of boundary conditions, material and taper constants, foundation moduli, variable axial compression and small-scale of nano-beam on the buckling loads and mode shapes are investigated. Moreover the analytical solutions, for the simpler cases are provided in appendices.
This paper proposes a transfer matrix method for the bending vibration of two types of tapered beams subjected to axial force, and it is applied to analyze tapered beams with an edge or multiple edge open cracks. One beam type is assumed to be reduced linearly in the cross-section height along the beam length. The other type is a tapered beam in which the cross-section height and width with the same taper ratio is linearly reduced simultaneously. Each crack is modeled as two sub-elements connected by a rotational spring, and the method can evaluate the effect of cracking on the desired number of eigenfrequencies using a minimum number of subdivisions. Among the power series available for the solutions, the roots of the differential equation are computed using the Frobenius method. The computed results confirm the accuracy of the method and are compared with previously reported results. The effectiveness of the proposed methods is demonstrated by examining specific examples, and the effects of cracking and axial loading are carefully examined by a comparison of the single and double tapered beam results.
In order to get a better understanding of seismic performance of exterior beam-column joint, reciprocating loading tests with variable loading speeds or axial forces were carried out. The main findings indicate that only few cracks exist on the surface of the joint core area, while the plastic hinge region at the beam end is seriously damaged. The damage of the specimen is more serious with the increase of the upper limit of variable axial force. The deflection ductility coefficient of specimen decreases to various degrees after the upper limit of variable axial force increases. In addition, the higher the loading speed is, the lower the deflection ductility coefficient of the specimen is. The stiffness of the specimen decreases as the upper limit of variable axial force or the loading speed increase. Compared to the influence of variable axial force, the influence of the loading speed on the stiffness degradation of the specimen is more obvious. The cumulative energy dissipation and the equivalent viscous damping coefficient of specimen decrease with the increase of loading speed. The influence of variable axial force on the energy dissipation of specimen varies under different loading speeds. Based on the truss model, the biaxial stress criterion, the Rankine criterion, the Kent-Scott-Park model, the equivalent theorem of shearing stress, the softened strut-and-tie model, the controlled slip theory and the proposed equations, a calculation method for the shear capacity is proposed with satisfactory prediction results.
Emad Ghandourah;Muzamal Hussain;Mohamed A. Khadimallah;Mashhour Alazwari;Mohamed R. Ali;Mohammed A. Hefni
Computers and Concrete
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v.31
no.1
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pp.1-7
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2023
In this paper, Timoshenko-beam model is developed for the vibration of double carbon nanotubes. The resulting frequencies are gained for axial wave mode and length-to-diameter ratios. The natural frequency becomes more prominent for lower length-to-diameter ratios and diminished for higher ratios. The converse behavior is observed for axial wave mode with clamped-clamped and clamped-free boundary conditions. The frequencies of clamped-free are lower than that of clamped-clamped boundary condition. The eigen solution is obtained to extract the frequencies of double walled carbon nanotubes using Galerkin's method through axial deformation function. Computer softer MATLAB is used for formation of frequency values. The frequency data is compared with available literature and found to be in agreement.
Differential transform method (DTM) for free vibration analysis of both ends simply supported beam resting on elastic foundation is suggested. The fourth order partial differential equation for free vibration of the beam resting on elastic foundation subjected to bending moment, shear and axial compressive load is obtained by using Winkler hypothesis and small displacement theory. It is assumed that the material is linear-elastic, and that axial load and modulus of subgrade reaction to be constant. In the analysis, shear and axial load effects are considered. The frequency factors of the beam are calculated by using DTM due to the values of relative stiffness; the results are presented in graphs and tables.
The purpose of this study is to develop composite structural system which is to have versatility in plan design and to improve economical efficieney, to maximise structural capacity than existing structural system. In this viewpoint, it was investigated to the properties of structural behaviors for i oint consisting of concrete filled steel square tube column and P.C reinforced concrete beam through a series of hysteretic behavior experiment. In the previous report, researched to the properties of joints with key parameters. such as Axial Force ratio and section types. From the based on previous results, this study investigated the properties of this joints with key parameters, such as strength of concrete, size of panel zone and Axial Force ratio. The obtained results are summarised as follows. (1) Investigating for the failure mode of the beam-to-column joint, the specimens of S,LL and LH series(except for L5H) presented flexural failure mode. (2) The initial stiffness of joint was increasd as the decrease of axial force ratio and increase of the concrete strength. (3) The rotation resisting capacity was effective as the increment of the concrete strength and decrement of the axial force ratio. (4) The emprical formula to predict the ultimate capacity of joint model to introduce decrease coefficient according to the axial force ratio to superimpose shearing strength of steel web(H section) and bending strength of reinforced concrete beam was expected.
Bae, Chan Young;Lee, Ji Hyeong;Kim, Sang Woo;Kim, Jin Sup
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.43
no.5
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pp.567-576
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2023
In general, RC beam members are designed as flexural members, considering only the bending load. However, in actual buildings, axial and bending load are simultaneously applied due to the continuity between members. As a result, the bending strength of the RC beam member increases, but the displacement decreases, and cracks are mainly concentrated in the center of the beam. Therefore, in this study, the bending performance of both normal and strengthened RC beam using carbon fiber sheets subjected to combined axial and bending load was experimentally evaluated. The carbon fiber sheets were wrapped around the middle of the specimens, and axial and bending load were applied simultaneously to the beams. The magnitude of the axial force and the effects of carbon fiber sheet reinforcement on the deformed shape, bending strength, deflection, and ductility of the RC beams were analyzed. The results show that as the applied axial force increased, the maximum bending strength increased, but the ductility decreased 64%. The bending strength of the strengthened beams increased up to 27%, the maximum deflection decreased around 8% and the ductility increased by up to 43%.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.10a
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pp.1-4
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2001
Dynamic analysis of laminated beams with a embedded damping layer under tension or compression axial load is investigated. Improved Layer-Wise Zig-Zag Beam Theory and Interdependent Kinematic Relation using the governing equations of motion are incorporated to model the laminated beams with a damping layer and a corresponding beam zig-zag finite element is developed. Flexural frequencies and modal loss actors under tension or compression axial load are calculated based on Complex Eigenvalue Method. The effect of the axial tension and compression load on the frequencies and loss factors is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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