This paper presents the test results on the shear performance of large-size reinforced concrete beams using recycled fine aggregate to evaluate its applicability to structural concrete. The performance of these beams is compared to that of similar beams casted with natural coarse and fine aggregates. All of the beam specimens without shear reinforcement had $400mm{\times}600mm$ rectangular cross section and a shear span ratio (a/d) of 5.0. Five concrete mixtures with different replacement levels of recycled fine aggregates (0, 30, 60, 70 and 100%) were used to obtain a nominal concrete compressive strength of 28MPa. The test results of load-deflection curve, shear deformation, diagonal cracking load, crack pattern, ultimate shear strength, and failure mode are examined and compared. In addition, code and empirical equations from KCI, JSCE, CSA, Zsutty, and MCFT were considered to evaluate the applicability of these equations for predicting shear strength of reinforced concrete beam with recycled fine aggregate. The results showed that the overall shear behavior of reinforced concrete beams incorporating less than 60% recycled fine aggregate was comparable with that of conventional concrete beam. The MCFT gave good prediction and other code equations were conservative in predicting the shear strength of the tested beams. The beam specimens with replacement of 70 and 100% of natural fine aggregates by recycled fine aggregates showed different failure mode than other tested beams.
Kim, Young Ju;Bae, Jae Hoon;Ahn, Tae Sang;Jang, Dong Woon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.26
no.3
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pp.155-167
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2014
Steel-concrete composite beam has been used for a considerable time in building construction. An essential component of a composite beam is the shear connection between the steel section and the concrete slabs, which is provided by mechanical shear connectors. A variety of shapes and devices have been in use as shear connectors. This study summarizes the results of an experimental investigation involving the testing of push-out specimens with angle shear connectors. All of 22 push-out specimens were designed to study the effect of a number of parameters on the shear capacity of angle shear connectors such as the height of the angle connector, the length of welding, and the pitch of angles. Based on the test results, a design equation was developed for predicting the shear strength of angle shear connectors.
Stainless steel-concrete composite beam has become an attractive structural form for offshore bridges and iconic high-rise buildings, owing to the superior corrosion resistance and excellent ductility of stainless steel material. In a composite beam, stainless steel shear connectors play an important role by establishing the interconnection between stainless steel beam and concrete slab. To enable the best use of high strength stainless steel shear connectors in composite beams, high strength concrete is recommended. To date, the application of stainless steel shear connectors in composite beams is still very limited due to the lack of research and proper design recommendations. In this paper, a total of seven pushout specimens were tested to investigate the load-slip behaviour of stainless steel shear connectors. A thorough discussion has been made on the differences between stainless steel bolted connectors and welded studs, in terms of the failure modes, load-slip behaviour and ultimate shear resistance. In parallel with the experimental programme, a finite element model was developed in ABAQUS to simulate the behaviour of stainless steel shear connectors, with which the effects of shear connector strength, concrete strength and embedded connector height to diameter ratio (h/d) were evaluated. The obtained experimental and numerical results were analysed and compared with existing codes of practice, including AS/NZS 2327, EN 1994-1-1 and ANSI/AISC 360-16. The comparison results indicated that the current codes need to be improved for the design of high strength stainless steel shear connectors. On this basis, modified design approaches were proposed to predict the shear capacity of stainless steel bolted connectors and welded studs in the composite beams.
The buckling analysis of the embedded sinusoidal piezoelectric beam is evaluated using numerical method. The smart beam is subjected to external voltage in the thickness direction. Elastic medium is simulated with two parameters of spring and shear. The structure is modelled by sinusoidal shear deformation theory (SSDT) and utilizing energy method, the final governing equations are derived on the basis of piezo-elasticity theory. In order to obtaining the buckling load, the differential quadrature method (DQM) is used. The obtained results are validated with other published works. The effects of beam length and thickness, elastic medium, boundary condition and external voltage are shown on the buckling load of the structure. Numerical results show that with enhancing the beam length, the buckling load is decreased. In addition, applying negative voltage, improves the buckling load of the smart beam.
This paper presents an experimental study to assess the effectiveness of using ferrocement to strengthen deficient beam-column joints. Ferrocement is proposed to protect the joint region through replacing concrete cover. Six exterior beam-column joints, including two control specimens and four strengthened specimens, are prepared and tested under constant axial load and quasi-static cyclic loading. Two levels of axial load on column (0.2fc'Ag and 0.4fc'Ag) and two types of skeletal reinforcements in ferrocement (grid reinforcements and diagonal reinforcements) are considered as test variables. Experimental results have indicated that ferrocement as a composite material can enhance the seismic performance of deficient beam-column joints in terms of peak horizontal load, energy dissipation, stiffness and joint shear strength. Shear distortions within the joints are significantly reduced for the strengthened specimens. High axial load (0.4fc'Ag) has a detrimental effect on peak horizontal load for both control and ferrocement-strengthened specimens. Specimens strengthened by ferrocement with two types of skeletal reinforcements perform similarly. Finally, a method is proposed to predict shear strength of beam-column joints strengthened by ferrocement.
In this research, the buckling analysis of sandwich beam with composite reinforced by graphene platelets (GPLs) in two face sheets is investigated. Three type various porosity patterns including uniform, symmetric and asymmetric are considered through the thickness direction of the core. Also, the top and bottom face sheets layers are considered composite reinforced by GPLs/CNTs based on Halpin-Tsai micromechanics model and extended mixture rule, respectively. Based on various shear deformation theories such as Euler-Bernoulli, Timoshenko and Reddy beam theories, the governing equations of equilibrium using minimum total potential energy are obtained. It is seen that the critical buckling load decreases with an increase in the porous coefficient, because the stiffness of sandwich beam reduces. Also, it is shown that the critical buckling load for asymmetric distribution is lower than the other cases. It can see that the effect of graphene platelets on the critical buckling load is higher than carbon nanotubes. Moreover, it is seen that the difference between carbon nanotubes and graphene platelets for Reddy and Euler-Bernoulli beam theories is most and least, respectively.
A plated beam is strengthened by bonding a thin plate to the tension face; it often fails because of premature debonding of the thin plate from the original beam in a brittle manner. A sound understanding of the mechanism of such debonding failure is very important for the effective use of this strengthening technique. This paper presents an improved analytical solution for interfacial stresses that incorporates multiple loading conditions simultaneously, including prestress, mechanical and thermal loads, and the effects of adherend shear deformations and curvature mismatches between the beam and the plate. Simply supported beams bonded with a thin prestressing plate and subjected to both mechanical and thermal loading were considered in the present work. The effects of the curvature mismatch and adherend shear deformations of the beam and plate were investigated and compared. The main mechanisms affecting the distribution of interfacial stresses were analyzed. Both the normal and shear stresses were found to be significantly influenced by the coupled effects of the elastic moduli with the ratios $E_a/E_b$ and $E_a/E_p$.
The present paper researches post-buckling behaviors of geometrically imperfect concrete beam resting on elastic foundation reinforced with graphene oxide powders (GOPs) based on finite element method (FEM). Distribution of GOPs are considered as uniform and linearly graded through the thickness. Geometric imperfection is considered as first buckling mode shape of the beam, the GOP reinforced beam is rested in initial position. The material properties of GOP reinforced composite have been calculated via employment of Halpin-Tsai micromechanical scheme. The provided refined beam element verifies the shear deformation impacts needless of any shear correction coefficient. The post-buckling load-deflections relations have been calculated via solving the governing equations having cubic non-linearity implementing FEM. Obtained findings indicate the importance of GOP distributions, GOP weight fraction, matrix material, geometric imperfection, shear deformation and foundation parameters on nonlinear buckling behavior of GOP reinforced beam.
This paper analyzes nonlinear free vibration of the circular nano-tubes made of functionally graded materials in the framework of nonlocal strain gradient theory in conjunction with a refined higher order shear deformation beam model. The effective material properties of the tube related to the change of temperature are assumed to vary along the radius of tube based on the power law. The refined beam model is introduced which not only contains transverse shear deformation but also satisfies the stress boundary conditions where shear stress cancels each other out on the inner and outer surfaces. Moreover, it can degenerate the Euler beam model, the Timoshenko beam model and the Reddy beam model. By incorporating this model with Hamilton's principle, the nonlinear vibration equations are established. The equations, including a material length scale parameter as well as a nonlocal parameter, can describe the size-dependent in linear and nonlinear vibration of FGM nanotubes. Analytical solution is obtained by using a two-steps perturbation method. Several comparisons are performed to validate the present analysis. Eventually, the effects of various physical parameters on nonlinear and linear natural frequencies of FGM nanotubes are analyzed, such as inner radius, temperature, nonlocal parameter, strain gradient parameter, scale parameter ratio, slenderness ratio, volume indexes, different beam models.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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