This work attempts to implement multiple regression analysis (MRA) for modeling and predicting the shear buckling strength of a steel beam with corrugated web. It was recognized from theoretical and experimental results that the shear buckling strength of a steel beam with corrugated web is complicated and affected by several parameters. A model that predicts the shear strength of a steel beam with corrugated web with reasonable accuracy was sought. To that end, a total of 93 experimental data points were collected from different sources. Then mathematical models for the key response parameter (shear buckling strength of a steel beam with corrugated web) were established via MRA in terms of different input geometric, loading and materials parameters. Results indicate that, with a minimal processing of data, MRA could accurately predict the shear buckling strength of a steel beam with corrugated web within a 95% confidence interval, having an $R^2$ value of 0.93 and passing the F- and t-tests.
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.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.2
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pp.60-67
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2020
Recently, many studies have been conducted on the structural behavior of HPFRCC, but most of the studies focused on the flexural behavior while studies on the shear behavior are limited. In this study, a model has been developed to reasonably predict the shear strength of a HPFRCC beam without stirrups. To develop the model, a HPFRCC beam was simply idealized with upper & lower chords resisting bending moment and a web shear element resisting shear forces. Then, taking into the account of the tensile behavior of HPFRCC, the main diagonal compressive strut angle and shear stress of the web shear element were evaluated on shear failure. Then, the shear strength of the HPFRCC beam could be evaluated. For the verification of the proposed model, the predictions by the proposed model were compared with the test results of 48 HPFRCC beams exhibiting shear failure. The results showed that the proposed model reasonably predicted the actual shear strength with an average of 1.045 and CoV of 0.125. This study are expected to be useful for related researches and design of members or structures to which HPFRCC is applied.
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 purpose of this study is to predict and investigate the time-dependent creep behavior of composite materials. For this, firstly the evaluation method for the modulus of elasticity of whole fiber and matrix is presented from the limited information on fiber volume fraction using the singular value decomposition method. Then, the effects of fiber volume fraction on modulus of elasticity of GFRP are verified. Also, as a creep model, the nonlinear curve fitting method based on the Marquardt algorithm is proposed. Using the existing Findley's power creep model and the proposed creep model, the effect of fiber volume fraction on the nonlinear creep behavior of composite materials is verified. Then, for the time-dependent analysis of a composite material subjected to uniaxial tension and simple shear loadings, a user-provided subroutine UMAT is developed to run within ABAQUS. Finally, the creep behavior of center loaded beam structure is investigated using the Hermitian beam elements with shear deformation effect and with time-dependent elastic and shear moduli.
This paper proposes a one-dimensional fiber beam element model taking account of materially non-linear behavior, benefiting the highly efficient elastic-plastic analysis of girders with shear-lag effects. Based on the displacement-based fiber beam-column element, two additional degrees of freedom (DOFs) are added into the proposed model to consider the shear-lag warping deformations of the slabs. The new finite element (FE) formulations of the tangent stiffness matrix and resisting force vector are deduced with the variational principle of the minimum potential energy. Then the proposed element is implemented in the OpenSees computational framework as a newly developed element, and the full Newton iteration method is adopted for an iterative solution. The typical materially non-linear behaviors, including the cracking and crushing of concrete, as well as the plasticity of the reinforcement and steel girder, are all considered in the model. The proposed model is applied to several test cases under elastic or plastic loading states and compared with the solutions of theoretical models, tests, and shell/solid refined FE models. The results of these comparisons indicate the accuracy and applicability of the proposed model for the analysis of both concrete box girders and steel-concrete composite girders, under either elastic or plastic states.
This paper presents a model for evaluating the contribution by arch action to shear resistance in shear-critical reinforced concrete beams. Based on the relationship between shear and bending moment in beams subjected to combined shear and bending, the behavior of a beam is explicitly divided into two base components of the flexural action and the tied arch action. The compatibility condition of the shear deformation that deviates from Bernoulli bending plane is formulated utilizing the smeared truss idealization with an inclined compression chord. The Modified Compression Filed Theory is employed to calculate the shear deformation of the web, and the relative axial displacements of the compression and the tension chord by the shear flow are also calculated. From this shear compatibility condition in a beam, the shear contribution by the arch action is numerically decoupled. Then the validity of the model is examined by applying the model to some selected test beams in literatures. The results may confirm the rationale of the proposed behavioral model.
Chetchotisak, Panatchai;Teerawong, Jaruek;Yindeesuk, Sukit;Song, Junho
Computers and Concrete
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v.14
no.1
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pp.19-40
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2014
Reinforced concrete deep beams are structural beams with low shear span-to-depth ratio, and hence in which the strain distribution is significantly nonlinear and the conventional beam theory is not applicable. A strut-and-tie model is considered one of the most rational and simplest methods available for shear strength prediction and design of deep beams. The strut-and-tie model approach describes the shear failure of a deep beam using diagonal strut and truss mechanism: The diagonal strut mechanism represents compression stress fields that develop in the concrete web between diagonal cracks of the concrete while the truss mechanism accounts for the contributions of the horizontal and vertical web reinforcements. Based on a database of 406 experimental observations, this paper proposes a new strut-and-tie-model for accurate prediction of shear strength of reinforced concrete deep beams, and further improves the model by correcting the bias and quantifying the scatter using a Bayesian parameter estimation method. Seven existing deterministic models from design codes and the literature are compared with the proposed method. Finally, a limit-state design formula and the corresponding reduction factor are developed for the proposed strut-andtie model.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.13
no.6
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pp.1-9
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2009
This study carried out a shear experiment on concrete deep beam reinforced AFRP to investigate the shear strength of deep beam. The test was conducted on 8 specimens, and the variables were shear span ratio, reinforcement ratio, effective depth, and rebar type. We compared shear strength using ACI 318-08 STM with proposed equations that considered arching action according to shear span ratio. As a result, it was found that shear strength of deep beam reinforced AFRP rebar presented higher shear strength than steel rebar. ACI STM's predictions are more accurate than other predicting equations, and thus this research proposed model versus effective compressive strength of the concrete strut that considered strut size effect based on test results. The predictions obtained using the proposed model are in better agreement than previous equations and codes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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