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.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2003.11a
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pp.161-164
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2003
This experimental investigation was conducted to examine the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. The columns were subjected to a constant axial load and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement ($P_s$ =0.96, 1.44 per cent) and axial load ratio (0.05, 0.1, 0.2 P/$P_o$). Test results show that bridge columns with 50 per cent higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-02 showed ductile behaviour. For bridge columns with axial load ratio(P/$P_o$) less than 0.2, the ratio of $M_{max}$ over $M_{aci}$, nominal moment capacity predicted by ACI 318-02 provisions, is consistently greater than 1 with approximately a 20 percent margin of safty.
In this study, the authors present an analytical approach to find the axisymmetric buckling load of two joined isotropic conical shells under axial compression. The problem of two joined conical shells may be considered as the generalized form of joined cylindrical and conical shells with constant or stepped thicknesses. Thickness of each cone is constant; however it may be different from the thickness of the other cone. The boundary conditions are assumed to be simply supported with rigid rings. The governing equations for the conical shells are obtained and solved with an analytical approach. A simple closed-form expression is obtained for the buckling load of two joined truncated conical shells. Results are compared and validated with the numerical results of finite element method. The variation of buckling load with changes in the thickness and semi-vertex angles of the two cones is studied. Finally, application of the results in practical design and range of engineering validity are investigated.
Ra Hong-Seong;Lee Kyoung-Joon;Ryu Hyo-Jin;Hwang Sun-Kyoung;Lee Chin-Ok
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.22-27
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2004
This experimental investigation was conducted to examine the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. The columns were subjected to a constant axial load and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement (ps = 0.96, 1.44 per cent) and axial load ratio (0.05, 0.1, 0.2 P/Po) and strength $(350kgf/cm^2,\;600kgf/cm^2)$. Test results show that bridge columns with 50 per cent higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-02 showed ductile behaviour. For bridge columns with axial load ratio(P/Po) less than 0.2, the ratio of Mmax over Mad, nominal moment capacity predicted by ACI 318-02 provisions, is consistently greater than 1 with approximately a 20 percent margin of safty.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05a
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pp.430-433
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2006
The reinforced concrete column confined by square steel tubes(RCST) is a reinforced column (RC) confined by thin steel tubes which cover over the full length of the column but terminates 15mm from the column's ends. The steel tube is in uniaxial tension stress state and won't buckle when the column sustains axial load. This will highly increase the bearing capacity and ductility of the columns. The hysteretic behavior of four square RCST columns and one square RC column were experimentally studied under constant axial load and lateral cyclic load. The wide-to-thickness (D/t) ratio of RCST columns employed in this research is 75. The main variables of the experiment were axial load ratio and compressive strength of the concrete. Based on the findings in this research, RCST columns exhibits high lateral strength, ductility, and energy dissipation ability.
This paper presents an investigation on seismic behavior of out-of-code Q690 circular high-strength concrete-filled thin-walled steel tubular (HCFTST) columns made up of high-strength (HS) steel tubes (yield strength $f_y{\geq}690MPa$). Eight Q690 circular HCFTST columns with various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cylinder compressive strengths ($f_c$) and axial compression ratios (n) were tested under the constant axial loading and reversed cyclic lateral loading. The obtained lateral load-displacement hysteretic curves, energy dissipation, skeleton curves and ductility, and stiffness degradation were analyzed in detail to reflect the influences of tested parameters. Subsequently, a simplified shear strength model was derived and validated by the test results. Finally, a finite element analysis (FEA) model incorporating a stress triaxiality dependent fracture criterion was established to simulate the seismic behavior. The systematic investigation indicates the following: compared to the D/t ratio and axial compression ratio, improving the concrete compressive strength (e.g., the HS thin-walled steel tube filled with HS concrete) had a slight influence on the ductility but an obvious enhancement of energy dissipation and peak load; the simplified shear strength model based on truss mechanism accurately predicted the shear-resisting capacity; and the established FEA model incorporating steel fracture criterion simulated well the seismic behavior (e.g., hysteretic curve, local buckling and fracture), which can be applied to the seismic analysis and design of Q690 circular HCFTST columns.
Hwang, Sun Kyoung;Lim, Byung Hoon;Kim, Chang Gyo;Yun, Hyun Do;Park, Wan Shin
Architectural research
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v.7
no.1
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pp.39-48
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2005
Main objective of this research is to evaluate performance of high-strength concrete (HSC) columns for ductility and strength. Eight one-third scale columns with compressive strength of 69 MPa were subjected to a constant axial load corresponding to 30 % of the column axial load capacity and a cyclic horizontal load-inducing reversed bending moment. The variables studied in this research are the volumetric ratio of transverse reinforcement (${\rho}_s=1.58$, 2.25 %), tie configuration (Type H, Type C and Type D) and tie yield strength ($f_{yh}=549$ and 779 MPa). Test results show that the flexural strength of every column exceeds the calculated flexural capacity based on the equivalent concrete stress block used in the current design code. Columns with 42 % higher amounts of transverse reinforcement than that required by seismic provisions of ACI 318-02 showed ductile behaviour, showing a displacement ductility factor (${\mu}_{{\Delta}u}$) of 3.69 to 4.85, and a curvature ductility factor (${\mu}_{{\varphi}u}$) of over 10.0. With an axial load of 30 % of the axial load capacity, it is recommended that the yield strength of transverse reinforcement be held equal to or below 549 MPa.
Under constant and cyclic axial compression, square composite short columns reinforced with Self Compacting Concrete (SCC) added with scrap rubber infilled inside steel tubes and with different types of concrete were cast and tested. The test is carried out to find the effectiveness of utilizing an aggregate manufactured from industrial waste and to address the problems associated with the need for alternative reinforcements along with waste management. The main testing parameters are the type of concrete, the effect of fiber inclusion, and the significance of rubber-infilled steel tubes. The failure modes of the columns and axial load-displacement curves of the steel tube-reinforced columns were all thoroughly investigated. According to the test results, all specimens failed due to compression failure with a longitudinal crack along the loading axis. The fiber-reinforced column specimens demonstrated improved ductility and energy absorption. In comparison to the normal-weight concrete columns, the lightweight concrete columns significantly improved the axial load-carrying capacity. The addition of basalt fiber to the columns significantly increased the yield stress and ultimate stress to 9.21%. The corresponding displacement at yield load and ultimate load was reduced to 10.36% and 28.79%, respectively. The precision of volumetric information regarding the obtained crack quantification, aggregates, and the fiber in concrete is studied in detail through image processing using MATLAB environment.
Melaibari, Ammar;Khoshaim, Ahmed B.;Mohamed, Salwa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.5
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pp.671-685
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2020
This manuscript presents impacts of gradation of material functions and axial load functions on critical buckling loads and mode shapes of functionally graded (FG) thin and thick beams by using higher order shear deformation theory, for the first time. Volume fractions of metal and ceramic materials are assumed to be distributed through a beam thickness by both sigmoid law and symmetric power functions. Ceramic-metal-ceramic (CMC) and metal-ceramic-metal (MCM) symmetric distributions are proposed relative to mid-plane of the beam structure. The axial compressive load is depicted by constant, linear, and parabolic continuous functions through the axial direction. The equilibrium governing equations are derived by using Hamilton's principles. Numerical differential quadrature method (DQM) is developed to discretize the spatial domain and covert the governing variable coefficients differential equations and boundary conditions to system of algebraic equations. Algebraic equations are formed as a generalized matrix eigenvalue problem, that will be solved to get eigenvalues (buckling loads) and eigenvectors (mode shapes). The proposed model is verified with respectable published work. Numerical results depict influences of gradation function, gradation parameter, axial load function, slenderness ratio and boundary conditions on critical buckling loads and mode-shapes of FG beam structure. It is found that gradation types have different effects on the critical buckling. The proposed model can be effective in analysis and design of structure beam element subject to distributed axial compressive load, such as, spacecraft, nuclear structure, and naval structure.
Yeon-Back Jung;Ju-Hyun Mun;Keun-Hyeok Yang;Chae-Rim Im
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.2
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pp.169-178
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2023
Lightweight aggregate concrete (LWAC) has various advantages, but it has limitations in ensuring sufficient ductility as structural members such as reinforced concrete (RC) columns due to its low confinement effect of core concrete. In particular, the confinement effect significantly decreases as the axial load increases, but studies on evaluating the ductility of RC columns at high axial loads are very limited. Therefore, this study examined the effects of concrete unit weight on the seismic performance of RC columns subjected to constant axial loads applied with different values for each specimen. The column specimens were classified into all-lightweight aggregate concrete (ALWAC), sand-lightweight aggregate concrete (SLWAC), and normal-weight concrete (NWC). The amount of transverse reinforcement was specified for all the columns to satisfy twice the minimum amount specified in the ACI 318-19 provision. Test results showed that the normalized moment capacity of the columns decreased slightly with the concrete unit weight, whereas the moment capacity of LWAC columns could be conservatively estimated based on the procedure stipulated in ACI 318-19 using an equivalent rectangular stress block. Additionally, by applying the section lamina method, the axial load level corresponding to the balanced failure decreased with the concrete unit weight. The ductility of the columns also decreased with the concrete unit weight, indicating a higher level of decline under a higher axial load level. Thus, the LWAC columns required more transverse reinforcement than their counterpart NWC columns to achieve the same ductility level. Ultimately, in order to achieve high ductility in LWAC columns subjected to an axial load of 0.5, it is recommended to design the transverse reinforcement with twice the minimum amount specified in the ACI 318-19 provision.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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