This paper aims to evaluate the interfacial stress concentrations on connection between vertical through-plate and H-beam in CFT column. Full-scale experiments were performed on three specimens with varying thickness of the vertical through-plate to investigate the interfacial stress concentration factor in the connections. The specimens underwent brittle failure at the location where the steel beam is connected to the vertical through-plate before the steel beam reached its plastic moment. The strain data of the part were analyzed, and the sectional analyses were conducted to determine appropriate residual stress models. In addition, the stress concentration factor was quantified by comparing the analytical local behavior in which the stress concentration is not reflected and the experimental data reflecting the stress concentration. The results showed that the maximum reduction of the stress concentration factor due to an increase in the thickness of the vertical through-plate is 50.3%.
A hemispherical microbond specimen adhered onto single carbon fiber has been proposed for evaluating the interfacial shear strength between epoxy and carbon fiber. Hemispherical microbond specimens showed low interfacial shear strength data and its small standard deviation as compared with the droplet one, which seemed to be caused by the reduction of the meniscus effects and of the stress concentration in the region contacting with the tip of pin hole. In comparison with the droplet specimen the hemispherical specimen showed the shear stress distribution similar to the cylindrical one in that low stress concentration arose around the contacting region. Average interfacial shear strength obtained by the hemispherical ones represented a good correlation with the hardness of the epoxy matrix.
Each year, new technological advancements for repair-purpose are being introduced to overlay the old deterioration of RC bridge deck at highway by latex-modified concrete. The days may come when this old problem will be successfully resolved. While the experimental works and researches are very active at both laboratory and field, only a few theoretical studies were performed on interfacial problems, especially on stress distribution and concentration of RC beam overlayed by latex-modified concrete. The repaired and strengthened structures would induce a premature failure due to the stress concentration at the adhesive layer of different material before the design expected failure. This paper investigated and proposed an analytical model for predicting interfacial shear and normal stresses of RC beam repair-purpose overlayed by latex-modified concrete. This would be used for predicting interfacial stresses and preventing premature failure at interfaces. This study modified Smith-Teng method for applying to cementitious repairing material, which was based on a direct governing equation and linear-elastic approach for interfacial normal and shear stresses. The proposed theoretical model was verified using commercial FEA program, LUSAS, in terms of interfacial stresses predicted by the proposed model and calculated by LUSAS.
A closed form solution of a composite mechanics system is performed for the investigation of elastic-plastic behavior in order to predict fiber stresses, fiber/matrix interfacial shear stresses, and matrix yielding behavior in short fiber reinforced metal matrix composites. The model is based on a theoretical development that considers the stress concentration between fiber ends and the propagation of matrix plasticity and is compared with the results of a conventional shear lag model as well as a modified shear lag model. For the region of matrix plasticity, slip mechanisms between the fiber and matrix which normally occur at the interface are taken into account for the derivation. Results of predicted stresses for the small-scale yielding as well as the large-scale yielding in the matrix are compared with other theories. The effects of fiber aspect ratio are also evaluated for the internal elastic-plastic stress field. It is found that the incorporation of strong fibers results in substantial improvements in composite strength relative to the fiber/matrix interfacial shear stresses, but can produce earlier matrix yielding because of intensified stress concentration effects. It is also found that the present model can be applied to investigate the stress transfer mechanism between the elastic fiber and the elastic-plastic matrix, such as in short fiber reinforced metal matrix composites.
In discontinuous composite mechanics, shear lag theory is one of the most popular model because of its simplicity and accuracy. However, it does not provide sufficiently accurate strengthening predictions in elastic regime then the fiber aspect ratio is small. This is due to its neglect of stress transfer across the fiber ends and the stress concentrations that exist in the matrix regions near the fiber ends. To overcome this shortcoming, a more simplified shear lag model introducing the stress concentration factor which is a function of several variables, such as the modulus ratio, the fiber volume fraction, the fiber aspect ratio, is proposed. It is found that the modulus ratio($E_f$/$E_m$) is the essential variable among them. Thus, the stress concentration factor is expressed as a function of modulus ratio in the derivation. It is found that the proposed model gives a good agreement with finite element results and has the capability to correctly predict the values of interfacial shear stresses and local stress variations in the small fiber aspect ratio regime.
Belakhdar, Khalil;Tounsi, Abdelouahed;Adda Bedia, El Abbes;Redha, Yeghnem
Steel and Composite Structures
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제11권6호
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pp.435-454
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2011
Bonding composite materials to structural members for strengthening purpose has received a considerable attention in recent years. The major problem when using bonded FRP or steel plates to strengthen existing structures is the high interfacial stresses that may be built up near the plate ends which lead to premature failure of the structure. As a result, many researchers have developed several analytical methods to predict the interface performance of bonded repairs. In this paper, a numerical solution using finite - difference method is used to calculate the interfacial stress distribution in beams strengthened with FRP plate having a tapered ends with different thinning profiles. These latter, can significantly reduce the stress concentration. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both beam and bonded plate. Numerical results from the present analysis are presented to demonstrate the advantages of use the tapers in design of strengthened beams.
This paper presents a careful theoretical investigation into interfacial stresses in RC beams strengthened with externally bonded imperfect FGM plate. In this study, an original model is presented to predict and to determine the stresses concentration at the imperfect FGM end, with the new theory analysis approach. Stress distributions, depending on an inhomogeneity constant, were calculated and presented in forms. It is shown that both the shear and normal stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam, and it is shown that the inhomogeneities play an important role in the distribution of interfacial stresses. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. The numerical resolution was finalized by taking into account the physical and geometric properties of materials that may play an important role in reducing the stress values. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of the PFGM-RC hybrid structures.
미소 드랍릿 시편을 이용한 탄소섬유와 에폭시 수지 사이의 계면전단강도에 대해 시험분석하였다. 또한 드랍릿 모델, 원형 단면 모델, 인발모델의 3종류의 유한요소해석을 통해 섬유/수지간의 응력분포를 계산하였다. 본 연구결과는 다음과 같다. (1) 미소드랍릿 시험의 경우는 인발시험보다 섬유/수지의 계면에서 큰 응력집중이 나타났으며 계면박리가 낮은 하중수준에서도 발생하기 용이함을 알수 있었다. (2) 미소드랍릿시험에서 높은 계면강도를 보였는데, 이는 미소드랍릿의 형상과 사이즈, 바이스팁과 접촉하는 부위의 응력집중효과를 함께 받았기 때문으로 해석되었다.
El Mahi, Benaoumeur;Kouider Halim, Benrahou;Sofiane, Amziane;Khalil, Belakhdar;Abdelouahed, Tounsi;Adda Bedia, El Abbes
Steel and Composite Structures
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제17권5호
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pp.601-621
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2014
Repairing and strengthening structural members by bonding composite materials have received a considerable attention in recent years. The major problem when using bonded FRP or steel plates to strengthen existing structures is the high interfacial stresses that may be built up near the plate ends which lead to premature failure of the structure. As a result, many researchers have developed several analytical methods to predict the interface performance of bonded repairs under various types of loading. In this paper, a numerical solution using finite - difference method (FDM) is used to calculate the interfacial stress distribution in beams strengthened with FRP plate having a tapered ends under thermal loading. Different thinning profiles are investigated since the later can significantly reduce the stress concentration. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both beam and bonded plate. The shear correction factor for I-section beams is also included in the solution. Numerical results from the present analysis are presented to demonstrate the advantages of use the tapers in design of strengthened beams.
In this paper, the problem of interfacial stresses in damaged reinforced concrete beams strengthened with bonded prestressed functionally graded material plate and subjected to a uniformly distributed load, arbitrarily positioned single point load, or two symmetric point loads is developed using linear elastic theory. The adopted model takes into account the adherend shear deformations by assuming a linear shear stress through the depth of the damaged RC beam. This solution is intended for application to beams made of all kinds of materials bonded with a thin FGM plate. The results show that there exists a high concentration of both shear and normal stress at the ends of the functionally graded material plate, which might result in premature failure of the strengthening scheme at these locations. Finally, numerical comparisons between the existing solutions and the present new solution enable a clear appreciation of the effects of various parameters of the beams on the distributions of the interfacial stresses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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