Perforated steel beams can be optimised by increased beam depth and the moment of inertia combined with a reduced web thickness, favouring the use of original I-section beams. The designers are often confronted with situations where optimisation cannot be carried out effectively, taking account of the buckling risk at web posts, moment-shear transfers and local plastic deformations on the transverse holes of the openings. The purpose of this study is to suggest solutions for reducing these failure risks of tested optimal designed beams under applying loads in a self-reacting frame. The design method for the beams is the hunting search optimisation technique, and the design constraints are implemented from BS 5950 provisions. Therefore, I have aimed to explore the strengthening effects of reinforced openings with ring stiffeners, welded vertical simple plates on the web posts and horizontal plates around the openings on the ultimate load carrying capacities of optimally designed perforated steel beams. Test results have shown that compared to lateral stiffeners, ring and vertical stiffeners significantly increase the loadcarrying capacity of perforated steel beams.
This article presents a unified mathematical model to investigate free and forced vibration responses of perforated thin and thick beams. Analytical models of the equivalent geometrical and material characteristics for regularly squared perforated beam are developed. Because of the shear deformation regime increasing in perforated structures, the investigation of dynamical behaviors of these structures becomes more complicated and effects of rotary inertia and shear deformation should be considered. So, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are proposed for thin and short (thick) beams, respectively. Mathematical closed forms for the eigenvalues and the corresponding eigenvectors as well as the forced vibration time response are derived. The validity of the developed analytical procedure is verified by comparing the obtained results with both analytical and numerical analyses and good agreement is detected. Numerical studies are presented to illustrate effects of beam slenderness ratio, filling ratio, as well as the number of holes on the dynamic behavior of perforated beams. The obtained results and concluding remarks are helpful in mechanical design and industrial applications of large devices and small systems (MEMS) based on perforated structure.
Although being one of the most popular strengthening techniques in reinforced concrete beams, the use of steel plates bonded to the soffit raises problems of ductility. This study aims at investigating the influence of the use of perforated steel plates instead of solid steel plates on the ductility of reinforced concrete beams. A total of nine reinforced concrete beams were tested. In addition to an unplated beam, eight beams with perforated steel plates of two different thicknesses (3 mm and 6 mm) were subjected to monotonic loading. Effect of bonding the plates to the beams with anchor bolts and with additional side plates bonded to the sides of the beam with and without anchors is also investigated. The use of bolts in addition to epoxy was found to greatly contribute to the ductility and energy absorption capacity of the beams, particularly in specimens with thick plates (6 mm) and the use side plates in addition to the bottom plate was found to be ineffective in increasing the ductility of a concrete beam unless the side plates are attached to the beam with anchors bolts. The thickness of the plate was found to have little effect on the bending rigidity of the beam.
Almitani, Khalid H.;Abdelrahman, Alaa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.35
no.4
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pp.555-566
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2020
This paper aims to present an analytical methodology to investigate influences of nanoscale and surface energy on buckling stability behavior of perforated nanobeam structural element, for the first time. The surface energy effect is exploited to consider the free energy on the surface of nanobeam by using Gurtin-Murdoch surface elasticity theory. Thin and thick beams are considered by using both classical beam of Euler and first order shear deformation of Timoshenko theories, respectively. Equivalent geometrical constant of regularly squared perforated beam are presented in simplified form. Problem formulation of nanostructure beam including surface energies is derived in detail. Explicit analytical solution for nanoscale beams are developed for both beam theories to evaluate the surface stress effects and size-dependent nanoscale on the critical buckling loads. The closed form solution is confirmed and proven by comparing the obtained results with previous works. Parametric studies are achieved to demonstrate impacts of beam filling ratio, the number of hole rows, surface material characteristics, beam slenderness ratio, boundary conditions as well as loading conditions on the non-classical buckling of perforated nanobeams in incidence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the critical buckling loads with the corresponding effect of the surface elasticity. The proposed model can be used as benchmarks in designing, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
This paper presents the findings of a design development project for perforated beams fully integrated with building services. A unified design approach for both steel and composite beams with large rectangular web openings is proposed which is based on plastic design methods and formulated in accordance with analytical structural design principles. Moreover, finite element models are established after careful calibration against test data, and comparison on the predicted ultimate loads of two composite beams with rectangular web openings from the finite element models and the proposed design method is also presented. It is demonstrated that the proposed design method is able to predict the ultimate loads of composite beams with rectangular web openings against 'Vierendeel' mechanism satisfactorily.
Almitani, Khalid H.;Abdelrahman, Alaa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.32
no.5
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pp.643-655
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2019
Perforation and cutouts of structures are compulsory in some modern applications such as in heat exchangers, nuclear power plants, filtration and microeletromicanical system (MEMS). This perforation complicates dynamic analyses of these structures. Thus, this work tends to introduce semi-analytical model capable of investigating the dynamic performance of perforated beam structure under free and forced conditions, for the first time. Closed forms for the equivalent geometrical and material characteristics of the regular square perforated beam regular square, are presented. The governing dynamical equation of motion is derived based on Euler-Bernoulli kinematic displacement. Closed forms for resonant frequencies, corresponding Eigen-mode functions and forced vibration time responses are derived. The proposed analytical procedure is proved and compared with both analytical and numerical analyses and good agreement is noticed. Parametric studies are conducted to illustrate effects of filling ratio and the number of holes on the free vibration characteristic, and forced vibration response of perforated beams. The obtained results are supportive in mechanical design of large devices and small systems (MEMS) based on perforated structure.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.447-450
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2005
A prefabricated composite hollow slab with perforated I-beams was suggested for the replacement of deteriorated concrete decks or the construction of new composite bridges with long-span slabs. Composite slabs with embedded I-beams have considerably higher stiffness and strength. For the application of prefabricated composite slabs to bridges, joints between slabs should satisfy the requirements of the ultimate limit state and the serviceability limit state. In this paper, three types of the detail for loop joints were selected and their structural performance in terms of strength and crack control was investigated through static tests on continuous composite slabs. A main parameter was the detail of the joint, such as an ordinary loop joint and loop joint with additional reinforcements. Even though there was no connection of the steel beams at the joints, the loop joints showed good performance in terms of strength. In terms of crack control, the loop joint with additional reinforcements showed better performance. In ultimate limit state, the continuous composite slabs showed good moment redistribution and ductility.
This article presents a comprehensive model to investigate a free vibration and resonance frequencies of nanostructure perforated beam element as nano-resonator. Nano-scale size dependency of regular square perforated beam is considered by using nonlocal differential form of Eringen constitutive equation. Equivalent mass, inertia, bending and shear rigidities of perforated beam structure are developed. Kinematic displacement assumptions of both Timoshenko and Euler-Bernoulli are assumed to consider thick and thin beams, respectively. So, this model considers the effect of shear on natural frequencies of perforated nanobeams. Equations of motion for local and nonlocal elastic beam are derived. After that, analytical solutions of frequency equations are deduced as function of nonlocal and perforation parameters. The proposed model is validated and verified with previous works. Parametric studies are performed to illustrate the influence of a long-range atomic interaction, hole perforation size, number of rows of holes and boundary conditions on fundamental frequencies of perforated nanobeams. The proposed model is supportive in designing and production of nanobeam resonator used in nanoelectromechanical systems NEMS.
This is an experimental study on the engineering characteristics of perforated reinforced concrete beams with shells. In the material matter of this study, the water cement ratio put 60%, the ratio of substitution of oyster shells to fine aggregate 30%. And in the structural matter, the form of opening put circle and square, the size of opening as the radius and the length of it changed from one to three times of the beam depth with a change presence and absence of reinforced steel around opening. All thirteen reinforced concrete beam tests composed one standard beam and twelve six beams with the circle and square opening were tested in shear strength under two points loading and compared and analyzed the characteristics of test beams under the same conditions one another. The results of the study showed as followed. 1) The initial crack load value of the opening test beams is similar the standard beam but the maximum load value decreased with increase in proportion of the opening size, in the square opening than the circle opening and in the absence than the presence of reinforced steel. 2) As the difference between the circle opening and the square opening beams is represented 2.17~9.8% in the maximum load value and the load capacity of the square opening suddenly decrease than it of the circle opening, it is judged because of the shortage of concrete section, the concentration of the stress in the corner of the square opening and material influence of shell substitution. 3) The failure figure such as the pattern of the crack and so on is represented brittle failure as the opening size is the bigger and the ratio of substitution is higher because of the lack material properties.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.3
no.1
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pp.171-178
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1999
Despite of decrease in shear and moment strengths, most steel structural designers use web openings in beams because of economical benefit and requirement. The purpose of this study is to suggest the method of reinforcement of H-shape steel beams with a rectangular web opening. If shear predominates over bending, it is necessary to consider all possible combinations of shear force and bending moment acting at the opening. In this paper, the ultimate strength and behavior of perforated beams have been investigated according to parameters (ratio of M/V, opening width within opening height ratio D/h, various reinforcing types A/B/C/D/M/N/W). The results of this study are as follows ; 1. Deformation of H-shape steel beams with a rectangular web opening was greatly affected by not only bending but also shear. 2. SB1-2/3 series have little difference in the reinforced efficiency, but SB1-2E/3E series have difference in the reinforced efficiency according to the reinforcement type. 3. Efficiency of SB1-2E/3E series is determined by reinforcing types, which RB1-2E-B/M/C and RB1-3E-M/D/C specimens have good efficient. Reinforcing type of perforated beams chooses efficient method according to ratio of M/V and D/h.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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