This study aims to estimate crack location and crack length in damaged beam structures using transfer matrix formulations, which are based on analytical solutions of governing equations of motion. A single variable shear deformation theory (SVSDT) that considers parabolic shear stress distribution along beam cross-section is used, as well as, Timoshenko beam theory (TBT). The cracks are modelled using massless rotational springs that divide beams into segments. In the forward problem, natural frequencies of intact and cracked beam models are calculated for different crack length and location combinations. In the inverse approach, which is the main concern of this paper, the natural frequency values obtained from experimental studies, finite element simulations and analytical solutions are used for crack identification via plots of rotational spring flexibilities against crack location. The estimated crack length and crack location values are tabulated with actual data. Three different beam models that have free-free, fixed-free and simple-simple boundary conditions are considered in the numerical analyses.
Sasmal, Saptarshi;Vishnu Pradeesh, L.;Devi, A. Kanchana;Ramanjaneyulu, K.
Advances in Computational Design
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v.1
no.1
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pp.61-77
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2016
Seismic performance of structures depends on the force flow mechanism inside the structure. Discontinuity regions, like beam-column joints, are often affected during earthquake event due to the complex and discontinuous load paths. The evaluation of shear strength and identification of failure mode of the joint region are helpful to (i) define the strength hierarchy of the beam-column sub-assemblage, (ii) quantify the influence of different parameters on the behaviour of beam-column joint and, (iii) develop suitable and adequate strengthening scheme for the joints, if required, to obtain the desired strength hierarchy. In view of this, it is very important to estimate the joint shear strength and identify the failure modes of the joint region as it is the most critical part in any beam-column sub-assemblage. One of the most effective models is softened strut and tie model which was developed by incorporating force equilibrium, strain compatibility and constitutive laws of cracked reinforced concrete. In this study, softened strut and tie model, which incorporates force equilibrium equations, compatibility conditions and material constitutive relation of the cracked concrete, are used to simulate the shear strength behaviour and to identify failure mechanisms of the beam-column joints. The observations of the present study will be helpful to arrive at the design strategy of the joints to ensure the desired failure mechanism and strength hierarchy to achieve sustainability of structural systems under seismic loading.
Hamed, Mostafa A.;Mohamed, Salwa A;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.1
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pp.75-89
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2020
The current paper illustrates the effect of in-plane varying compressive force on critical buckling loads and buckling modes of sandwich composite laminated beam rested on elastic foundation. To generalize a proposed model, unified higher order shear deformation beam theories are exploited through analysis; those satisfy the parabolic variation of shear across the thickness. Therefore, there is no need for shear correction factor. Winkler and Pasternak elastic foundations are presented to consider the effect of any elastic medium surrounding beam structure. The Hamilton's principle is proposed to derive the equilibrium equations of unified sandwich composite laminated beams. Differential quadrature numerical method (DQNM) is used to discretize the differential equilibrium equations in spatial direction. After that, eigenvalue problem is solved to obtain the buckling loads and associated mode shapes. The proposed model is validated with previous published works and good matching is observed. The numerical results are carried out to show effects of axial load functions, lamination thicknesses, orthotropy and elastic foundation constants on the buckling loads and mode shapes of sandwich composite beam. This model is important in designing of aircrafts and ships when non-uniform compressive load and shear loading is dominated.
The behaviour of reinforced concrete moment resisting frame structures in recent earthquakes all over the world has highlighted the consequences of poor performance of beam column joints. Large amount of research carried out to understand the complex mechanisms and safe behaviour of beam column joints has gone into code recommendations. This paper presents critical review of recommendations of well established codes regarding design and detailing aspects of beam column joints. The codes of practice considered are ACI 318M-02, NZS 3101: Part 1:1995 and the Eurocode 8 of EN 1998-1:2003. All three codes aim to satisfy the bond and shear requirements within the joint. It is observed that ACI 318M-02 requires smaller column depth as compared to the other two codes based on the anchorage conditions. NZS 3101:1995 and EN 1998-1:2003 consider the shear stress level to obtain the required stirrup reinforcement whereas ACI 318M-02 provides stirrup reinforcement to retain the axial load capacity of column by confinement. Significant factors influencing the design of beam-column joints are identified and the effect of their variations on design parameters is compared. The variation in the requirements of shear reinforcement is substantial among the three codes.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2001.11a
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pp.897-902
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2001
The purpose of this experimental study is to investigate the shear behavior of high-strength concrete deep beam and to grasp the conservatism of ACI Building Code. Experimental results on 12 deep beams under two equal symmetrically placed point loads are reported. Main variables are vertical and horizontal web reinforcement and shear span-to-overall depth ratio. Test results indicated that web reinforcement dose not affect on formation of inclined cracks but shear span-to-overall depth ratio affect on inclined shear cracks and ultimate shear strength. Addition of vertical web reinforcement improves ultimate shear strength of H.S.C. deep beams that shear span-to-overall depth ratio is 1.0. Considerable increase in ultimate shear strength of H.S.C. deep beams with increasing horizontal web reinforcement that shear span-to-overall depth ratio is 0.5. Especially with increasing concrete strength($f_{ck}$) the ACI code is conservative in estamating the ultimate shear strength of deep beams.
Kim, Sang Seup;Kim, Sang Mo;Kim, Sung Bae;Seo, Dong Gee;Kim, Kyu Suk
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.2
s.69
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pp.225-233
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2004
Composite action is generally achieved by providing shear connections between steel top flange and concrete topping. Composite sections have greater stiffness than the summation of the individual stiffness of slab and beam. Therefore, they can carry larger loads or similar loads with appreciably smaller deflection and are less prone to transient vibration. T-type Steel Composite beam (TSC-beam) was developed to increase these advantages. Ten specimens were tested for this study. During the experiment, crack pattern and deflection of beam were investigated. The examined results of TSC beam system were compared with results from the typical composite beam and RC beam.
To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field is expressed by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes, respectively. Next the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are rigorously derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. And then the equilibrium equations and the boundary conditions are consistently derived for curved beams having non-symmetric thin-walled cross section. It is emphasized that for curved beams with L- or T-shaped sections, this thin-walled curved beam theory can be easily reduced to the solid beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by previous research and ABAQUS's shell elements.
Kim, Heecheul;Ko, Myung Joon;Kim, Min Sook;Lee, Young Hak
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.3
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pp.269-275
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2016
In this paper, shear performance of concrete wide beams was evaluated through shear failure tests. The specimens were designed to have two continuous spans with a column at the center of the wide beam. Also the specimens were reinforced with plates with openings as shear reinforcements. For the test, total eight specimens, including five specimens were reinforced with steel plates and the other three specimens were reinforced with GFRP plates were manufactured. And the shear strengths obtained from the tests were compared with ones from the equation provided by ACI 318. Support width of wide beam, support section of wide beam and shear reinforcement material were considered as variables. The results showed that the support width was proportional to the increase of shear strength. Also, regardless of material type of shear reinforcement, the shear reinforcing effect was similar when the amount of shear reinforcement was the same.
When the material strength and ductility of shear studs is sufficient to carry the interface shear force, the composite beam can behave safely without premature structural failure in the interface and without ultimate moment reduction. In this study, the influence of the deformation capacity of shear studs embedded in high-strength concrete on structural behavior and design condition of composite beam is analyzed using FEM. In the analysis, load type, degree of shear connection and arrangement of studs are considered as analysis parameters. According to analysis results, in the case of partial interaction,the deformation capacity of studs embedded in high-strength concrete should be considered together with material strength. Especially in the case of uniform arrangement of studs and uniformly distributed load, a minimum available degree of shear connection is restricted by the deformation capacity of studs. In this case,shear studs should be arranged in consideration of the distribution of shear force at the composite section.
Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.5
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pp.621-631
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2018
In this paper, an exact analytical solution is developed for the analysis of the post-buckling non-linear response of simply supported deformable symmetric composite beams. For this, a new theory of higher order shear deformation is used for the analysis of composite beams in post-buckling. Unlike any other shear deformation beam theories, the number of functions unknown in the present theory is only two as the Euler-Bernoulli beam theory, while three unknowns are needed in the case of the other beam theories. The theory presents a parabolic distribution of transverse shear stresses, which satisfies the nullity conditions on both sides of the beam without a shear correction factor. The shear effect has a significant contribution to buckling and post-buckling behaviour. The results of this analysis show that classical and first-order theories underestimate the amplitude of the buckling whereas all the theories considered in this study give results very close to the static response of post-buckling. The numerical results obtained with the novel theory are not only much more accurate than those obtained using the Euler-Bernoulli theory but are almost comparable to those obtained using higher order theories, Accuracy and effectiveness of the current theory.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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