Zhu, Li;Wang, Jia J.;Zhao, Guan Y.;Huo, Xue J.;Li, Xuan
Steel and Composite Structures
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v.37
no.2
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pp.117-136
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2020
Curved steel-concrete composite box girder has been widely adopted in urban overpasses and ramp bridges. In order to investigate its mechanical behavior under complicated and combined bending, shear and torsion load, two large-curvature composite box girders with interior angles of 25° and 45° were tested under static hogging moment. Based on the strain and deflection measurement on critical cross-sections during the static loading test, the failure mode, cracking behavior, load-displacement relationship, and strain distribution in the steel plate and rebar were investigated in detail. The test result showed the large-curvature composite box girders exhibited notable shear lag in the concrete slab and steel girder. Also, the constraint torsion and distortion effect caused the stress measured at the inner side of the composite beam to be notably higher than that of the outer side. The strain distribution in the steel web was approximately linear; therefore, the assumption that the plane section remains plane was approximately validated based on strain measurement at steel web. Furthermore, the full-process non-linear elaborate finite element (FE) models of the two specimens were developed based on commercial FE software MSC.MARC. The modeling scheme and constitutive model were illustrated in detail. Based on the comparison between the FE model and test results, the FE model effectively simulated the failure mode, the load-displacement curve, and the strain development of longitudinal rebar and steel girder with sufficient accuracy. The comparison between the FE model and the test result validated the accuracy of the developed FE model.
Analysing the incompatible deformation and damage evolution around the tunnels in mixed strata is significant for evaluating the tunnel stability, as well as the interaction between the support system and the surrounding rock mass. To investigate this issue, confined compression tests were conducted on upper-soft and lower-hard strata specimens containing a circular hole using a rock testing system, the physical mechanical properties were then investigated. Then, the incompatible deformation and failure modes of the specimens were analysed based on the digital speckle correlation method (DSCM) and Acoustic Emission (AE) data. Finally, numerical simulations were conducted to explore the damage evolution of the mixed strata. The results indicate that at low inclination angles, the deformation and v-shaped notches inside the hole are controlled by the structure plane. Progressive spalling failure occurs at the sidewalls along the structure plane in soft rock. But the transmission of the loading force between the soft rock and hard rock are different in local. At high inclination angles, v-shaped notches are approximately perpendicular to the structure plane, and the soft and hard rock bear common loads. Incompatible deformation between the soft rock and hard rock controls the failure process. At inclination angles of 0°, 30° and 90°, incompatible deformations are closely related to rock damage. At 60°, incompatible deformations and rock damage are discordant due that the soft rock and hard rock alternately bears the major loads during the failure process. The failure trend and modes of the numerical results agree very well with those observed in the experimental results. As the inclination angles increase, the proportion of the shear or tensile damage exhibits a nonlinear increase or decrease, suggesting that the inclination angle of mixed strata may promote shear damage and restrain tensile damage.
Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Zhu, Zheming;Marji, Mohammad Fatehi
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.5
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pp.493-504
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2018
In this paper, the tensile failure behaviour of transversally bedding layers was numerically simulated by using particle flow code in two dimensions. Firstly, numerical model was calibrated by uniaxial, Brazilian and triaxial experimental results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 circular models with diameter of 54 mm were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness was chosen in models; i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that In all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be note that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.1
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pp.101-110
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2015
Recently, nine $1397{\times}1397{\times}178mm$ RC panels were tested under in-plane pure-shear monotonic loading condition using the Panel Element Tester by Hsu (1997, ACI). By combining the equilibrium, compatibility, and the softened stress-strain relationship of concrete in biaxial state, Modern Truss Model (MCFT, RA-STM) are capable of producing the nonlinear analysis of RC membrane panel through the complicated trial-and-error method with double loop. In this paper, an efficient algorithm with one loop is proposed for the refined Mohr compatibility Method based on the strut-tie failure criteria. This algorithm can be speedy calculated to analyze the shear history of RC membrane element using the results of Hsu test. The results indicate that the response of shear deformation energy at Big Bang of shear strain significantly influenced by the principal compressive stress-strain (crushing failure).
In order to properly evaluate the shear strength of reinforced concrete circular columns due to the transverse shear reinforcement, the average of fractions of forces generated along the circular transverse hoops across the shear failure plane in the loading direction is calculated. For this, the center-to-center diameter of circular transverse hoops. spacing and the crack angle measured to the column longitudinal axis are considered. Using these variables, an equation representing the effective section area of circular transverse shear steel is proposed. The study result shows that the constant parameter. used for the calculation of the effective section area of circular hoops over the last 10 years, should not universally be applied any more. The use of the constant parameter may not seriously do harm to the evaluation of shear strength for circular columns with non-seismically designed transverse hoop reinforcement, since it gives slightly conservative results. However. for well-confined circular columns with close spacing or circular steel jacketing. it gives about 20% overestimation of the shear capacity contributed by the transverse hoop steel.
The biaxial failure mechanism of transversally bedding concrete layers was numerically simulated using a sophisticated two-dimensional discrete element method (DEM) implemented in the particle flow code (PFC2D). This numerical modelling code was first calibrated by uniaxial compression and Brazilian testing results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 rectangular models with dimension of $54mm{\times}108mm$ were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness were chosen in models, i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that in all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be noted that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.
Chikh, Abdelbaki;Bakora, Ahmed;Heireche, Houari;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.4
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pp.617-639
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2016
In this work, an analytical formulation based on both hyperbolic shear deformation theory and stress function, is presented to study the nonlinear post-buckling response of symmetric functionally graded plates supported by elastic foundations and subjected to in-plane compressive, thermal and thermo-mechanical loads. Elastic properties of material are based on sigmoid power law and varying across the thickness of the plate (S-FGM). In the present formulation, Von Karman nonlinearity and initial geometrical imperfection of plate are also taken into account. By utilizing Galerkin procedure, closed-form expressions of buckling loads and post-buckling equilibrium paths for simply supported plates are obtained. The effects of different parameters such as material and geometrical characteristics, temperature, boundary conditions, foundation stiffness and imperfection on the mechanical and thermal buckling and post-buckling loading capacity of the S-FGM plates are investigated.
Rahgozar, Reza;Ahmadi, Ali Reza;Hosseini, Omid;Malekinejad, Mohsen
Structural Engineering and Mechanics
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v.40
no.1
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pp.65-84
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2011
In this paper a simple mathematical model for approximate static analysis of combined system of framed tube, shear core and two outrigger-belt truss structures subjected to lateral loads is presented. In the proposed methodology, framed tube is modeled as a cantilevered beam with a box section and interaction between shear core and outrigger-belt truss system with framed tube is modeled using torsional springs placed at location of outrigger-belt truss; these torsional springs act in a direction opposite to rotation generated by lateral loads. The effect of shear lag on axial deformation in flange is quadratic and in web it is a cubic function of geometry. Here the total energy of the combined system is minimized with respect to lateral deflection and rotation in plane section. Solution of the resulting equilibrium equations yields the unknown coefficients of shear lag along with the stress and displacement distributions. The results of a numerical example, 50 storey building subjected to three different types of lateral loading obtained from SAP2000 are compared to those of the proposed method and the differences are found to be reasonable. The proposed method can be used during the preliminary design stages of a tall building and can provide a better understanding of the effects of various parameters on the overall structural behavior.
In long span steel structure, the plate girder reinforced with stiffeners are commonly used. When choosing the cross section with deep depth of girder as well as narrow width, however, out of plane buckling can be a problem due to web slenderness. In an effort to solve this issue, current study determined the applicability of using corrugated web girder with deep depth as bending member, which is generally being utilized in both factory and warehouse nationwide. To accomplish this, we performed the loading test of H-shaped beam with sinusoidal corrugated web. Corrugated web CP-2.3 specimen exhibited 12% less maximal bending strength but CP-3.2 specimen exerted 24% increase in strength compared to plate web P-4.5. this result indicates that corrugated web provides enough strength even with unfavorable width-thickness ratio of plate. And bending as well as shear strength estimated by the Eurocode (EN 1993-1-5) were compared with both bending strength by loading test and shear strength estimated by KBC2009. In case of eurocode, increase in plate thickness did not help in bending performance improvement. moreover, shear performance was sensitive to the thickness of the web folds and the shape of the web plate.
Fracture of Al2O3 tubes for different loading path under combined tension/torsion was investigated. Macroscopic directions of crack propagation agreed well with the maximum principal stress criterion, independent of the loading path. However, fracture strength from the proportional loading test(τ/σ= constant) showed either strengthening or weakening compared to that from uniaxial tension, depending on the ratio τ/σ. The Weibull theory was capable to predict the strengthening of fracture strength in pure torsion, but not the weakening in the proportional loading condition. The strengthening or weakening of fracture strength in the proportional loading condition was explained by the effect of shear stresses in the plane of randomly oriented microdefects. Finally, a new empirical fracture criterion was proposed. This criterion is based on a mixed mode fracture criterion and experimental data for fracture of Al2O3 tubes under combined tension/torsion. The proposed fracture criterion agreed well with experimental data for both macroscopic directions of crack propagation and fracture strengths.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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