In the recent decades, the application of composite materials, due to their desirable properties, has increased dramatically. In the present study, a quasi-encased trapezoidal section composite steel beam encased with concrete is thoroughly examined. Calculation of the load bearing capacity is carried out by finite element modeling of concrete and FRP beams with trapezoidal section under the effect of controlled displacement loading. The results are then validated comparing to the existing experimental results obtained from similar studies. Further on, the materials are changed to steel and concrete, and the section is de-signed in such a way that both concrete and steel reach a high percent-age of their load bearing capacity. In the last step, the parameters affecting the bending capacity and the behavior of the semi-confined composite beam are investigated. Results revealed that the beam diagonal web thickness plays the most effective role in load bearing capacity amongst other studied parameters. Furthermore, by analyzing the results on the effect of different parameters, an optimal model for primary beam section is presented, which exhibits a greater load bearing capacity compared to the initial design with the same amount of materials used for both sections.
The dynamic characteristics of continuous steel-concrete composite beams considering the effect of interlayer slip were investigated based on Euler Bernoulli's beam theory. A simplified calculation model was presented, in which the Mode Stiffness Matrix (MSM) was developed. The natural frequencies and modes of partial-interaction composite continuous beams can be calculated accurately and easily by the use of MSM. Proceeding from the present method, the natural frequencies of two-span steel-concrete composite continuous beams with different span-ratios (0.53, 0.73, 0.85, 1) and different shear connection stiffnesses on the interface are calculated. The influence pattern of interfacial stiffness on bending vibration frequency was found. With the decrease of shear connection stiffness on the interface, the flexural vibration frequencies decrease obviously. And the influence on low order modes is more obvious while the reduction degree of high order is more sizeable. The real natural frequencies of partial-interaction continuous beams commonly used could have a 20% to 40% reduction compared with the fully-interaction ones. Furthermore, the reduction-ratios of natural frequencies for different span-ratios two-span composite beams with uniform shear connection stiffnesses are totally the same. The span-ratio mainly impacts on the mode shape. Four kinds of shear connection stiffnesses of steel-concrete composite continuous beams are calculated and compared with the experimental data and the FEM results. The calculated results using the proposed method agree well with the experimental and FEM ones on the low order modes which mainly determine the vibration properties.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.04a
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pp.57.1-60
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1999
This paper presents the effects of partial dampers on the lateral vibration of beams. Both shear and normal stresses in the viscoelastic layer were studied. Analytical results were compared with those obtained by a finite element method. Effects of the size of partial dampers on the system loss factors and resonant frequencies were discussed.
This paper presents a generic modelling of composite steel-concrete beams with elastic shear connection. It builds on the well-known seminal technique of Newmark, Siess and Viest, in order to formulate the partial interaction formulation for solution under a variety of end conditions, and lends itself well for modification to enable direct quantification of effects such as shrinkage, creep, and limited shear connection slip capacity. This application is possible because the governing differential equations are set up and solved in a fashion whereby inclusion of the kinematic and static end conditions merely requires a statement of the appropriate constants of integration that are generated in the solution of the linear differential equations. The method is applied in the paper for the solution of the well-studied behaviour of simply supported beams with partial interaction, as well as to provide solutions for a beam encastr$\acute{e}$ at its ends, and for a propped cantilever.
Kim, Sung-Bo;Kim, Hun-Kyom;Jung, Kyoung-Hwan;Han, Man-Yop;Kim, Moon-Young
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.1
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pp.43-50
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2008
The analysis and results of flexural behavior for steel composite beam with built-up cross-section considering bolt deformation are presented in this paper. The bolt deformation and the restrict effect due to bolt-connection and friction are considered to investigate the flexural behavior of steel composite beam. Nonlinear spring element in ABAQUS is used to consider bolt deformation, also the results are compared with those in case bolt deformations are ignored. The displacement, bending stresses and shear stresses are calculated by F.E. model, and these results are compared with the analytical value of no interaction beam, partial interaction beam and full interaction beam. As a result of analysis, the behavior of composite beam is more dependant on the composite rate than the friction of the steel. When the composite rate is more than 50%, the behavior of composite beam considering the effects of bolt deformation is similar to that of fully composite beam.
This paper presents a semi-analytical solution of simply supported horizontally composite curved I-beam by trigonometric series. The flexibility of the interlayer connectors between layers both in the tangential direction and in the radial direction is taken into account in the proposed formulation. The governing differential equations and the boundary conditions are established by applying the variational approach, which are solved by applying the Fourier series expansion method. The accuracy and efficiency of the proposed formulation are validated by comparing its results with both experimental results reported in the literature and FEM results.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.04a
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pp.167-170
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2000
The flexural vibration of a sandwich beam with partially inserted viscoelastic layer has been studied using the finite element analysis in combination with an experiment. Effects of length and thickness of partial viscoelastic layers on system loss factor(${\eta}_s$) and resonant frequency(${\omega}_r$) were considerably large. The thicker the viscoelastic layer in a sandwich beam, the larger the system loss factor in Mode 1 as compared with that in Mode 2. The loss factor increased almost linearly with increasing the length of partial viscoelastic layer. Effects of thickness of beams were also considered.
This study was conducted to investigate the residual bearing capacity of steel-concrete composite beams under high-cycle fatigue loading through experiments and theoretical analysis. Six test beams with stud connectors were designed and fabricated for static, complete fatigue, and partial fatigue tests. The failure modes and the degradation of several mechanical performance indicators of the composite beams under high-cycle fatigue loading were analyzed. A calculation method for the residual bearing capacity of the composite beams after certain quantities of cyclic loading cycles was established by introducing nonlinear fatigue damage models for concrete, steel beam, and shear connectors beginning with the material residual strength attenuation process. The results show that the failure mode of the composite beams under the given fatigue load appears to be primarily affected by the number of cycles. As the number of fatigue loadings increases, the failure mode transforms from mid-span concrete crushing to stud cutting. The bearing capacity of a 3.0-m span composite beam after two million fatigue cycles is degraded by 30.7% due to premature failure of the stud. The calculated values of the residual bearing capacity method of the composite beam established in this paper agree well with the test values, which indicates that the model is feasibly applicable.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.10
no.sup3
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pp.109-121
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2016
Recently, as the use of high-performance materials and complex composite methods has increased, the need for advanced design specifications for steel-concrete composite structures has grown. In this study, various design provisions for ultimate flexural strengths of composite beams were reviewed. Design provisions reviewed included the load and resistance factor design method of AISC 360-10 and the partial factor methods of KSSC-KCI, Eurocode 4 and JSCE 2009. The design moment strengths of composite beams were calculated according to each design specification and the variation of the calculated strengths with design variables was investigated. Furthermore, the relationships between the deformation capacity and resistance factor for flexure were examined quantitatively. Results showed that the design strength and resistance factor for flexure of composite beams were substantially affected by the design formats and variables.
This paper presents an investigation about superharmonic and subharmonic resonances of a carbon nanotube reinforced composite beam subjected to lateral harmonic load with damping effect based on the modified couple stress theory. As reinforcing phase, three different types of single walled carbon nanotubes (CNTs) distribution are considered through the thickness in polymeric matrix. The governing nonlinear dynamic equation is derived based on the von Kármán nonlinearity with using of Hamilton's principle. The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. Effects of different patterns of reinforcement, volume fraction, excitation force and the length scale parameter on the frequency-response curves of the carbon nanotube reinforced composite beam are investigated. The results show that volume fraction and the distribution of CNTs play an important role on superharmonic and subharmonic resonances of the carbon nanotube reinforced composite beams.
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