In the hogging bending moment area, continuous composite beams are subjected to the ultimate limit state of lateral-torsional buckling (LTB), which depends on web stiffness as well as concrete slab and shear connection stiffnesses. The design of the LTB and the determination of the elastic critical moment are produced approximately, using the European Standard EN 1994-1-1:2004, for continuous composite steel beams, but is applicable only for those with a plane web steel profile. Also, and from the previous researches, the elastic critical moment of the continuous composite beams with corrugated sinusoidal web steel profiles was determined. In this paper, a finite element analysis (FEA) model was developed using the ANSYS 16 software, to determine the elastic critical moments of continuous composite steel beams with various corrugated web profiles, such as trapezoidal, zigzag, and rectangular profiles, which were evaluated against numerical data of the sinusoidal one from the literature. Ultimately, the failure load of a composite steel beam with various web profiles was predicted by studying 46 models, based on FEA modeling, and a procedure for predicting the elastic critical moment of composite beams with various web steel profiles was proposed. When compared to sinusoidal web profiles, the trapezoidal, zigzag, and rectangular web profiles required an average increase in load capacity and stiffness of 7%, 17.5%, and 28%, respectively, according to the finite element analysis. Also, the rectangular web steel profile has a greater stiffness and load capacity. In contrast, the sinusoidal web has lower values for these characteristics.
Hayat Saidi;Abdelouahed Tounsi;Fouad Bourada;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdeldjebbar Tounsi;Firas Ismail Salman Al-Juboori
Steel and Composite Structures
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v.52
no.3
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pp.249-271
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2024
In this scientific work, an analytical solution for the dynamic analysis of cross-ply and angle-ply laminated composite plates is proposed. Due to technical issues during the manufacturing of composite materials, porosities and micro-voids can be produced within the composite material samples, which can carry on to a reduction in the density and strength of the materials. In this research, the laminated composite plates are assumed to have new distributions of porosities over the plate cross-section. The structure is modeled using a simple integral shear deformation theory in which the transverse shear deformation effect is included. The governing equations of motion are obtained employing the principle of Hamilton's. The solution is determined via Navier's approach. The Maple program is used to obtain the numerical results. In the numerical examples, the effects of geometry, ratio, modulus ratio, fiber orientation angle, number of layers and porosity parameter on the natural frequencies of symmetric and anti-symmetric laminated composite plates is presented and discussed in detail. Also, the impacts of the kinds of porosity distribution models on the natural frequencies of symmetric and anti-symmetric laminated composite plates are investigated.
Kim, Do-Young;Sim, Chang-Hoon;Park, Jae-Sang;Yoo, Joon-Tae;Yoon, Young-Ha;Lee, Keejoo
Composites Research
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v.34
no.5
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pp.283-289
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2021
This paper derives numerically the buckling Knockdown factors using two different initial imperfection models, such as geometric and loading imperfection models, to investigate the unstiffened composite cylinder with an ellipse pre-buckling deformation pattern. Single Perturbation Load Approach (SPLA) is applied to represent the geometric initial imperfection of a thin-walled composite cylinder; while Single Boundary Perturbation Approach (SBPA) is used to represent the geometric and loading imperfections simultaneously. The buckling Knockdown factor derived using SPLA is higher than NASA's buckling design criteria by approximately 84%, and lower than buckling test result by 9%. The buckling Knockdown factor using SBPA is higher than NASA's buckling design criteria by about 75%, and 14% lower than the buckling test result. Therefore, it is shown that the buckling Knockdown factors derived in this study can provide a lightweight design compared to the previous buckling design criteria while they give reasonably a conservative design compared to the buckling test for both the initial imperfection models.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.3
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pp.283-289
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2015
In this study, the lightweight design of a brake bracket for a composite bogie was studied by considering two brake bracket models with thicknesses of 12t and 9t, respectively. For achieving this goal, finite element analysis and topology optimization were conducted. Firstly, the largest cross-sectional areas of the vertical and horizontal plates of the brake bracket were selected as the design variables. As the constraint, the Z-axis displacement of the brake bracket was increased by 2.5 units from the initial displacement value. The minimum volume fraction of the design regions was chosen as the objective function. The full model comprised a composite bogie frame and brackets attached together. However, to reduce the analysis time, 1D beam elements were used instead of the composite bogie frame by ensuring its equivalence with the full model. The result revealed that the weights of the 12t and 9t models of the brake bracket were reduced to 60 kg and 31 kg, respectively.
Composite material is one of the strongest candidates for deep see pressure hulls. Research regarding composite cylinders, subjected to hydrostatic pressure, has been ongoing for a couple of decades, abroad, but domestic research is very new. Experimental investigations seem necessary, in order to understand their structural behavior not only up to the ultimate limit state, but in the post-ultimate regime. That experimental information will be very helpful in the development of any theoretical methods or to substantiate any commercial numerical packages for structural analyses. In this study, ultimate strength tests on seven composite cylinders subjected to hydrostatic pressure are reported, which includes the fabrication method of models, mechanical properties of the material, initial shape imperfection measurements, test procedure, and strain and axial shortening measurements during the tests. The ultimate strengths of the models were compared with predictions of numerical analyses. The numerical predictions are higher than the test results. It seems necessary to improve the accuracy of the numerical predictions by considering the initial shape and material imperfections.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2006.11a
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pp.154-157
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2006
Composite material is one of the strong candidates for deep see pressure hulls. Research regarding composite unstiffened or stiffened cylinders subjected to hydrostatic pressure has a couple of decades history abroad but domestic research is very new. Experimental investigations seem necessary to understand their structural behavior not only up to the ultimate limit state but in post-ultimate regime. Those experimental information will be very helpful to develop any theoretical methods or to substantiate any commercial numerical packages for structural analyses. In this study, ultimate strength tests on seven composite cylinders subjected to hydrostatic pressure are reported, which includes the fabrication method of models, material properties of the material, initial shape imperfection measurements, test procedure and strain and axial shortening measurements during the tests. The ultimate strengths of the models were compared with those of numerical analyses. The numerical predictions are higher than the test results. It is necessary to improve the accuracy of the numerical predictions.
Connections with damage concentrated to pre-selected components can enhance seismic resilience for moment resisting frames. These pre-selected components always yield early to dissipate energy, and their energy dissipation mechanisms vary from one to another, depending on their position in the connection, geometry configuration details, and mechanical characteristics. This paper presents behaviour insights on two types of beam-to-beam connections that the angles were designed as energy dissipation components, through the results of experimental study and finite element analysis. Firstly, an experimental programme was reviewed, and key responses concerning the working mechanism of the connections were presented, including strain distribution at the critical section, section force responses of essential components, and initial stiffness of test specimens. Subsequently, finite element models of three specimens were established to further interpret their behaviour and response that were not observable in the tests. The moment and shear force transfer paths of the composite connections were clarified through the test results and finite element analysis. It was observed that the bending moment is mainly resisted by axial forces from the components, and the dominant axial force is from the bottom angles; the shear force at the critical section is primarily taken by the slab and the components near the top flange. Lastly, based on the insights on the load transfer path of the composite connections, preliminary design recommendations are proposed. In particular, a resistance requirement, quantified by a moment capacity ratio, was placed on the connections. Design models and equations were also developed for predicting the yield moment resistance and the shear resistance of the connections. A flexible beam model was proposed to quantify the shear resistance of essential components.
Composite structures are generally pressurized at both sides when repaired by the scarf repair method. But single-face vacuum bag curing (SVC) may be used in some practical scarf repair of penetration damage due to the low accessibility of composite structures, which can decrease bonding quality and may reduce structural mechanical properties. In this paper, experimental investigations were conducted on tensile and compressive properties of scarf-repaired composite laminates using SVC and double-face vacuum bag curing (DVC) in four hygrothermal environments. Finite element models of composite scarf joints with voids were established to further explore the failure mechanism of scarf-repaired laminates. Results show that the curing condition hardly affects tensile and compressive properties of the repaired laminates though it significantly affects the bonding quality with adhesive inner voids. Failure loads of scarf joints almost keep unchanged with adhesive voids increasing.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.4
no.4
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pp.15-21
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2013
This study carried out finite element deflection analysis of cylindrical shell structures made of composite materials, which is based on the micro-mechanical approach for different fiber-volume fractions. The finite element (FE) models for composite structures using multi-scale approaches described in this paper is attractive not only because it shows excellent accuracy in analysis but also it shows the effect of the material combination. New results reported in this paper are focused on the significant effects of the fiber-volume fraction for various parameters, such as fiber angles, layup sequences, and length-thickness ratios. It may be concluded from this study that the combination effect of fiber and matrix, largely governing the dynamic characteristics of composite shell structures, should not be neglected and thus the optimal combination could be used to design such civil structures for better dynamic performance.
This paper investigates the flexural capacity of simply supported steel-concrete composite I beam and box beam under positive bending moment through combined experimental and finite element (FE) modeling. 24 composite beams are included into the experiments and parameters including shear connection degree, transverse reinforcement ratio, section form of girder, diameter of stud and loading way are also considered and investigated. ABAQUS is employed to establish FE models to simulate the behavior of composite beams. The influences of a few key parameters, such as the shear connection degree, stud arrangement, stud diameter, beam length and loading way, on flexural capacity are discussed. In addition, three methods including GB standard, Eurocode 4, and Nie method are also used to estimate the flexural capacity of composite beams and also for comparison with experimental and numerical results. The results indicate that Nie method may provide a better estimation in comparison to other two standards.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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