A higher order analytical solution for static analysis of a truncated conical composite sandwich panel subjected to different loading conditions was presented in this paper which was based on a new improved higher order sandwich panel theory. Bending analysis of sandwich structures with flexible cores subjected to concentrated load, uniform distributed load on a patch, harmonic and uniform distributed loads on the top and/or bottom face sheet of the sandwich structure was also investigated. For the first time, bending analysis of truncated conical composite sandwich panels with flexible cores was performed. The governing equations were derived by principle of minimum potential energy. The first order shear deformation theory was used for the composite face sheets and for the core while assuming a polynomial description of the displacement fields. Also, the in-plane hoop stresses of the core were considered. In order to assure accuracy of the present formulations, convergence of the results was examined. Effects of types of boundary conditions, types of applied loads, conical angles and fiber angles on bending analysis of truncated conical composite sandwich panels were studied. As, there is no research on higher order bending analysis of conical sandwich panels with flexible cores, the results were validated by ABAQUS FE code. The present approach can be linked with the standard optimization programs and it can be used in the iteration process of the structural optimization. The proposed approach facilitates investigation of the effect of physical and geometrical parameters on the bending response of sandwich composite structures.
Ataabadi, A. Kabiri;Ziaei-Rad, S.;Hosseini-Toudeshky, H.
Steel and Composite Structures
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v.12
no.1
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pp.53-72
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2012
In this study, the physically-based failure models for matrix and fibers in compression and tension loading are introduced. For the 3D stress based fiber kinking model a modification is proposed for calculation of the fiber misalignment angle. All of these models are implemented into the finite element code by using the advantage of damage variable and the numerical results are discussed. To investigate the matrix failure model, purely in-plane transverse compression experiments are carried out on the specimens made by Glass/Epoxy to obtain the fracture surface angle and then a comparison is made with the calculated numerical results. Furthermore, shear failure of $({\pm}45)_s$ model is investigated and the obtained numerical results are discussed and compared with available experimental results. Some experiments are also carried out on the woven laminated composites to investigate the fracture pattern in the matrix failure mode and shown that the presented matrix failure model can be used for the woven composites. Finally, the obtained numerical results for stress based fiber kinking model and improved ones (strain based model) are discussed and compared with each other and with the available results. The results show that these models can predict the kink band angle approximately.
The optimum design of most structural systems used in practice requires considering design variables as discrete quantities. The present paper shows that the linear approximation method is very effective as a tool for the discrete optimum designs of unsymmetric composite laminates. The formulated design problem is subjected to a multiple in-plane loading condition due to shear and axial forces, bending and twisting moments, which is controlled by maximum strain criterion for each of the plys of a composite laminate. As an initial approach, the process of continuous variable optimization by FDM is required only once in operating discrete optimization. The nonlinear discrete optimization problem that has the discrete and continuous variables is transformed into the mixed integer programming problem by SLDP. In numerical examples, the discrete optimum solutions for the unsymmetric composite laminates consisted of six plys according to rotated stacking sequence were found, and then compared the results with the nonlinear branch and bound method to verify the efficiency of present method.
Commonly in steel frames, steel beam and concrete slab are connected together by shear keys to work as a unit member which is called composite beam. When a composite beam is subjected to positive bending, flexural strength and stiffness of the beam can be increased due to "composite action". At the same time despite these advantages, composite action increases the strain at the beam bottom flange and it might affect beam plastic rotation capacity. This paper presents results of study on the rotation capacity of composite beam connected to Rectangular Hollow Section (RHS) column in the steel moment resisting frame buildings. Due to out-of-plane deformation of column flange, moment transfer efficiency of web connection is reduced and this results in reduction of beam plastic rotation capacity. In order to investigate the effects of width-to-thickness ratio (B/t) of RHS column on the rotation capacity of composite beam, cyclic loading tests were conducted on three full scale beam-to-column subassemblies. Detailed study on the different steel beam damages and concrete slab damages are presented. Experimental data showed the importance of this parameter of RHS column on the seismic behavior of composite beams. It is found that occurrence of severe concrete bearing crush at the face of RHS column of specimen with smaller width-to-thickness ratio resulted in considerable reduction on the rate of strain increase in the bottom flange. This behavior resulted in considerable improvement of rotation capacity of this specimen compared with composite and even bare steel beam connected to the RHS column with larger width-to-thickness ratio.
The first step in improving our understanding of uncertainties suclt as rock mass strength parameters and deformation modulus in rock masses around high-level radioactive waste disposal repositories, for improved safety, is to study the process of crack development in intact rock. Therefore, in this study, the fracture process and crack development were examined in samples of KURT granite taken from the KAERI Underground Research Tunnel (KURT), based on acoustic emission (AE) and moment tensor analysis. The results show that crack initiation, coalescence, and unstable crack occurred at rock uniaxial compressive strengths of 0.45, 0.73, and 0.84, respectively. In addition, moment tensor analysis indicated that during the early stage of loading, tensile cracks were predominant. With increasing applied stress, the number of shear cracks gradually increased. When the applied stress exceeded the stress level required for crack damage, unstable shear cracks which directly result in failure of the rock were generated along the failure plane.
In the present contribution, fracture resistance of U-notched GPPS members under mixed mode I/III loading conditions is assessed by using the Averaged Strain Energy Density (ASED) criterion. This criterion has been founded based on the ASED parameter averaged over a well-defined control volume embracing the notch edge. The validation of the theoretical criterion predictions is evaluated through comparing with the results of a series of mixed mode I/III fracture tests conducted on rectangular-shaped GPPS specimens weakened by a single edge U-notch. A recently developed apparatus for mixed mode I/III fracture experiments is employed for measuring the fracture loads of the specimens. The test samples are fabricated with different notch tip radii with the aim of evaluating the influence of this major feature of the U-notched components on the mixed mode I/III fracture behavior. It is shown that the onset of brittle fracture in U-notched GPPS specimens under various combinations of tension and out-of-plane shear can well be predicted by means of the ASED criterion.
This study presents experimental and numerical investigations on circular steel tube confined ultra high performance concrete (UHPC) columns under axial compression. The plain UHPC without fibers was designed to achieve a compressive strength ranged between 150 MPa and 200 MPa. Test results revealed that loading on only the UHPC core can generate a significant confinement effect for the UHPC core, thus leading to an increase in both strength and ductility of columns, and restricting the inherent brittleness of unconfined UHPC. All tested columns failed by shear plane failure of the UHPC core, this causes a softening stage in the axial load versus axial strain curves. In addition, an increase in the steel tube thickness or the confinement index was found to increase the strength and ductility enhancement and to reduce the magnitude of the loss of load capacity. Besides, steel tube with higher yield strength can improve the post-peak behavior. Based on the test results, the load contribution of the steel tube and the concrete core to the total load was examined. It was found that no significant confinement effect can be developed before the peak load, while the ductility of post-peak stage is mainly affected by the degree of the confinement effect. A finite element model (FEM) was also constructed in ABAQUS software to validate the test results. The effect of bond strength between the steel tube and the UHPC core was also investigated through the change of friction coefficient in FEM. Furthermore, the mechanism of circular steel tube confined UHPC columns was examined using the established FEM. Based on the results of FEM, the confining pressures along the height of each modeled column were shown. Furthermore, the interaction between the steel tube and the UHPC core was displayed through the slip length and shear stresses between two surfaces of two materials.
Nowadays balanced cantilever construction plays an essential role as a sophisticated erection technique of bridges due to its economical and ecological advantages. Experience teaches that wind has a great importance with regard to this construction technique, but methods proposed by codes to take wind effects into account are still rather crude and, in most cases, completely lacking. Also research in this field is quite limited and aimed at studying only the longitudinal shear and the torque at the pier base, caused by the mean wind velocity and by the longitudinal turbulence actions over the deck. This paper advances the present solutions by developing a new procedure that takes into account all wind effects both on the deck and on the pier. The proposed model assumes the mean wind velocity as orthogonal to the bridge plane and considers the effects produced by all the three turbulence components and by the vortex shedding. The applications point out the role of each loading component on different bridge configurations and show that disregarding the presence of some effects may imply oversimplified results and relevant underestimations.
Shyam K. Chaudhary;Vishesh R. Kar;Karunesh K. Shukla
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.2
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pp.127-140
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2023
The present article focuses on the thermoelastic deformation behavior of inhomogeneous functionally graded metal/ceramic cylindrical shell structure with multiple perforations using 2D finite element approximation. Here, cylindrical shell structure is considered with single (1×1) and multiple (2×2, 3×3 and 4×4) perforations. The temperature-dependent elastic and thermal properties of functionally graded material are evaluated using Voigt's micromechanical material scheme via power-law function. The kinematics of the proposed model is based on the equivalent single-layer first-order shear deformation mid-plane theory with five degrees-of-freedom. Here, 2D isoparametric finite element solutions are obtained using eight-node quadrilateral elements. The mesh refinement of present finite element model is performed to confirm the appropriate number of elements and nodes for the analysis purpose. Subsequently, a comparison test is conducted to demonstrate the accuracy of present results. In later section, numerous numerical illustrations are demonstrated at different set of conditions by varying structural, material and loading parameters and that confirms the significance of various parameters such as power-law index, aspect ratio, thickness ratio, curvature ratio, number of perforations and temperature on the deformation characteristics of functionally graded cylindrical shell structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.2
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pp.121-127
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2014
An atomistic-based finite bond element model for predicting the tearing mode (mode III) fracture of a single-layer graphene sheet (SLGS) is developed. The model uses the modified Morse potential for predicting the maximum strain relationship of graphene sheets. The mode III fracture of graphene under out-of-plane shear loading is investigated with extensive molecular mechanics simulations. Molecular mechanics is used for describing the displacements of atoms in the area near a crack tip, and linear elastic fracture mechanics is used outside this area. This work shows that the molecular mechanics method can provide a reliable and yet simple method for determining not only the shear properties of SLGS but also its mode III fracture toughness in the armchair and the zigzag directions; the determined mode III fracture toughness values of SLGS are $0.86MPa{\sqrt{m}}$ and $0.93MPa{\sqrt{m}}$, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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