Ran Feng;Tao Yang;Zhenming Chen;Krishanu Roy;Boshan Chen;James B.P. Lim
Steel and Composite Structures
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v.46
no.3
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pp.353-366
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2023
This paper presents a finite-element analysis (FEA) of aluminum alloy rectangular hollow sections (RHSs) and square hollow sections (SHSs) with circular through-openings under three-point and four-point bending. First, a finite-element model (FEM) was developed and validated against the corresponding test results available in the literature. Next, using the validated FE models, a parametric study comprising 180 FE models was conducted. The cross-section width-to-thickness ratio (b/t) ranged from 2 to 5, the hole size ratio (d/h) ranged from 0.2 to 0.8 and the quantity of holes (n) ranged from 2 to 6, respectively. Third, results obtained from laboratory test and FEA were compared with current design strengths calculated in accordance with the North American Specifications (NAS), the modified direct strength method (DSM) and the modified Continuous strength method (CSM). The comparison shows that the modified CSM are conservative by 15% on average for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings subject to bending. Finally, a new design equation is proposed based on the modified CSM after being validated with results obtained from laboratory test and FEA. The proposed design equation can provide accurate predictions of flexural capacities for aluminum alloy RHSs and SHSs with circular through-openings.
Reza Khalili Sarbangoli;Ahmad Maleki;Ramin K. Badri
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.239-252
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2024
Steel plate shear walls (SPSWs) are classified as lateral load-resisting systems. The feasibility of openings in the steel plate is a characteristic of SPSWs. The use of openings in SPSWs can lower the load capacity, stiffness, and energy dissipation. This study proposes a novel form of SPSWs that provides convenient access through openings by combining steel plates and eccentrically braced frames (EBFs). The proposed system also avoids a substantial reduction in the strength and stiffness. Hence, various geometric forms were analyzed through two different structural approaches. Groups 1, 2, and 3 included a steel EBF with a steel plate between the column and EBF in order to improve system performance. In Group 4, the proposed system was evaluated within an SPSW with openings and an EBF on the opening edge. To evaluate the performance of the proposed systems, the nonlinear finite element method (NL-FEM) was employed under cyclic loading. The hysteresis (load-drift) curve, stress contour, stiffness, and damping were evaluated as the structural outputs. The numerical models indicated that local buckling within the middle plate-EBF connection prevented a diagonal tension field. Moreover, in group 4, the EBF and stiffeners on the opening edge enhanced the structural response by approximately 7.5% in comparison with the base SPSW system.
Masonry infill walls are unavoidable parts of any building to create a separation between internal space and external environment. In general, there are some prevalent openings in the infill wall due to functional needs, architectural considerations or aesthetic concerns. In current design practice, the strength and stiffness contribution of infill walls is not considered. However, the presence of infill walls may decisively influence the seismic response of structures subjected to earthquake loads and cause a different behavior from that predicted for a bare frame. Furthermore, partial openings in the masonry infill wall are significant parameter affecting the seismic behavior of infilled frames thereby decreasing the lateral stiffness and strength. The possible effects of openings in the infill wall on seismic behavior of RC frames is analytically studied by means of pushover analysis of several bare, partially and fully infilled frames having different bay and story numbers. The stiffness loss due to partial opening is introduced by the stiffness reduction factors which are developed from finite element analysis of frames considering frame-infill interaction. Pushover curves of frames are plotted and the maximum base shear forces, the yield displacement, the yield base shear force coefficient, the displacement demand, interstory drift ratios and the distribution of story shear forces are determined. The comparison of parameters both in terms of seismic demand and capacity indicates that partial openings decisively influences the nonlinear behavior of RC frames and cause a different behavior from that predicted for a bare frame or fully infilled frame.
The purpose of this experimental study is to investigate the relationship of the shear behavior and the variety of width, depth and location of an opening in reinforced concrete deep beams with rectangular web openings, and to present an improved shear strength equation of those members. The main parameters considered were concrete strength(fck), shear span-to-overall depth ratio(a/h), and the size and vortical position of the web openings. Twenty five deep beams were tested under two symmetric loading-points. Test results showed that the shear behavior of deep beams with web openings was influenced by a/h and the size of opening. In addition, the KCI shear design provision is a tendency to be more unconservative according to the increase in a/h and the area-ratio of opening to shear span(Ao/Ash). Based on the concrete strut action of top and bottom member of an opening and the tie action of longitudinal reinforcement, a proper design equation which closely predicts the capacity of deep beams with rectangular openings is developed.
The recently introduced castable glass ceramics incorporate properties characteristic of natural teeth and they are regarded as an ideal material to restore lost tooth structure. The purpose of this study was to compare the marginal fit of castable ceramic crown with that of the metal-ceramic crown in the process of heat treatment. Two master dies for castable ceramic crowns and metal-ceramic crowns were fabricated from being cast with the base metal. Each master die was duplicated with addition silicone and hard stone. Ten castable ceramic crowns were made on each hard stone die and their marginal openings were measured three times first, after casting; second, after ceramming; third, after shading. The other ten metal-ceramic crowns were made on each hard stone die and their marginal openings were measured three times : first, after casting; second, after degassing; third, after porcelain veneering. Each crown was seated on its master die with the constant force delivered by loading jig. And then, marginal openings were measured on four locations by optical projector at X50 magnification. The results were as follows: 1. The mean marginal openings of castable ceramic crowns were $31.1{\pm}12.7{\mu}m$ after casting; $44.6{\pm}12.8{\mu}m$ after ceramming; $51.2{\pm}16.8{\mu}m$ after shading. 2. The mean marginal openings of the metal-ceramic crowns were $26.2{\pm}13.8{\mu}m$ after casting; $29.8{\pm}10.3{\mu}m$ after degassing; $38.0{\pm}14.5{\mu}m$ after porcelain veneering. 3. There was significant increase in the marginal opening of castable ceramic crowns after ceramming, while metal-ceramic crowns sho(wed significant increase after porcelain veneering (p<0.05). 4. Marginal fit of metal-ceramic crown was better than that of castable ceramic crown (p<0.01).
The paper proposes alternatives for fire safety in architectural planning through heat-smoke distribution related to openings so that we decrease casualty and property loss by fire and lay a great emphasis on building high-rise apartments with consideration of fire safety in Korea. An analysis program(HFA-Heat Fluid Analysis) is built to perform simultaneously numerical analysis and experimental analysis on rooms, units and buildings. In consequence, on the first, fire prevention methods are required to be set up related to openings for design rooms since the flow of heat and smoke is influenced by the type of openings in high-rise apartments. Second, the numerical analysis showed that different planning types cause to show differences in the spreading time of heat and smoke to design the units of high-rise apartments. On the third, each unit building showed different fire behavior depending on openings by numerical analysis and small scaled experiment on heat and smoke flow.
Freshwater may be injected into aquifers to combat sea water intrusion in groundwater or to store water for later retrieval. For these cases to achieve the desired goal groundwater modeling is commonly used to determine locations and rates of injection wells. When these wells are connected to a pipe network, a flow control valve is installed for each well to regulate the injection rate. When a valve opening is modified, pressure changes in the entire pipe network and thereby changes flow rates in other wells. Therefore, desired valve openings must be determined for all injection wells. The pipe flow analysis allows estimation of the minimum pump power in addition to valve openings. Methods are developed to identify valve openings for multiple wells and the minimum pump power. The methodology developed in this work can contribute to precise operation of multiple injection wells.
Serror, Mohammed H.;Hamed, Ahmed N.;Mourad, Sherif A.
Steel and Composite Structures
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v.22
no.6
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pp.1417-1443
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2016
Cellular and castellated steel beams are used to obtain higher stiffness and bending capacity using the same weight of steel. In addition, the beam openings may be used as a pass for different mechanical fixtures such as ducts and pipes. The aim of this study is to investigate the effect of different parameters on both elastic and inelastic critical buckling stresses of steel web plates with openings. These parameters are plate aspect ratio; opening shape (circular or rectangular); end distance to the first opening; opening spacing; opening size; plate slenderness ratio; steel grade; and initial web imperfection. The web/flange interaction has been simplified by web edge restraints representing simply supported boundary conditions. A numerical parametric study has been performed through linear and nonlinear finite element (FE) models, where the FE results have been verified against both experimental and numerical results in the literature. The web plates are subject to in-plane linearly varying compression with different loading patterns, ranging from uniform compression to pure bending. A buckling stress modification factor (${\beta}$-factor) has been introduced as a ratio of buckling stress of web plate with openings to buckling stress of the corresponding solid web plate. The variation of ${\beta}$-factor against the aforementioned parameters has been reported. Furthermore, the critical plate slenderness ratio separating elastic buckling and yielding has been identified and discussed for two steel grades of DIN-17100, namely: ST-37/2 and ST-52/3. The FE results revealed that the minimum ${\beta}$-factor is 0.9 for web plates under uniform compression and 0.7 for those under both compression and tension.
Framed masonry wall structures represent a typical high-rise structural system that are also seismically vulnerable. During ground motions, they are excited in both in-plane and out-of-plane terms. The interaction between the frame and the infill during ground motion is a highly investigated phenomenon in the field of seismic engineering. This paper presents a numerical investigation of two distinct static out-of-plane loading methods for framed masonry wall models. The first and most common method is uniformly loaded infill. The load is generally induced by the airbag. The other method is similar to in-plane push-over method, involves loading of the frame directly, not the infill. Consequently, different openings with the same areas and various placements were examined. The numerical model is based on calibrated in-plane bare frame models and on calibrated wall models subjected to OoP bending. Both methods produced widely divergent results in terms of load bearing capabilities, failure modes, damage states etc. Summarily, uniform load on the panel causes more damage to the infill than to the frame; openings do influence structures behavior; three hinged arching action is developed; and greater resistance and deformations are obtained in comparison to the frame loading method. Loading the frame causes the infill to bear significantly greater damage than the infill; infill and openings only influence the behavior after reaching the peak load; infill does not influence initial stiffness; models with opening fail at same inter-storey drift ratio as the bare frame model.
Mona M. Fawzy;Fattouh M. F. Shaker;Alia M. Ayyash;Mohamed M. Salem
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.1-13
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2024
The objective of this research is to study experimentally and numerically the behavior of steel beam columns with openings. Although the presence of openings in the beam columns is inevitable, finding ways to maintain strength is crucial. The studied parameters are opening shape, the ratio between opening height to specimen height, the percentage of opening location from support to beam column length, and web slenderness. Experimental tests are conducted including twelve specimens to study the effect of these parameters and record failure load, load deflection curve, and stress strain curve. Two failure modes are observed: local and flexural buckling. Interaction curves plotted from finite element model analysis are also used to expand the parametric study. Changing the location of the opening can decrease failure load by up to 7% and 60% in both normal and moment ratios respectively. Increasing the opening dimension can lead to a drop in the axial ratio by up to 29% and in the moment ratio by up to 74%. The weakest beam column behavior is noticed in specimens with rectangular openings which results from uneven and concentrated stresses around the opening. The main results of this research illustrate that the best location for opening is at 40% - 50% from beam column support. Also, it is advisable to use circular openings instead of rectangular openings in specimens having slender webs because moment ratios are raised by 85% accompanied by a rise in normal ratios by 9%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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