Making a transverse opening in concrete beams in order to accommodate utility services through the member instead of below or above of that, sometimes may be necessary. It is obvious that inclusions of an opening in a beam decreases its flexural and shear strengths. Fabricated steel bars are usually used to increase the capacity of the opening section, but details of reinforcements around the opening are dense and complex resulting in laborious pouring and setup process. The goal of this study was to investigate the possibility of using steel fibers in concrete mixture instead of complex reinforcement detailing order to strengthen opening section. Nonlinear finite element method was employed to investigate the behavior of steel fiber reinforced concrete beams. The numerical models were validated by comparison with experimental measurements tested by other investigators and then used to study the influence of fiber length, fiber aspect ratio and fiber content on the shear performance of SFRC slender beams with opening. Finally, it was concluded that the predicted shear strength enhancement is considerably influenced by use of steel fibers in concrete mixture but the effect of fiber length and fiber aspect ratio wasn't significant.
Although shear reinforcement in beams typically consists of steel bars bent in the form of stirrups or hoops, the addition of deformed steel fibres to the concrete has been shown to enhance shear resistance and ductility in reinforced concrete beams. This paper presents a model that can be used to predict the shear strength of fibrous concrete rectangular members without stirrups. The model is an extension of the plasticity-based crack sliding model originally developed for plain concrete beams. The crack sliding model has been improved in order to take into account several aspects: the arch effect for deep beams, the post-cracking tensile strength of steel fibre reinforced concrete and its ability to control sliding along shear cracks, and the mitigation of the shear size effect due to presence of fibres. The results obtained by the model have been validated by a large set of experimental tests taken from literature, compared with several models proposed in literature, and numerical analyses are carried out showing the influence of fibres on the beam failure mode.
This paper investigates the effect of linear and non-linear distribution of carbon nanotube volume fraction in the FG-CNTRC beams on the critical buckling by using higher-order shear deformation theories. Here, the material properties of the CNTRC beams are assumed to be graded in the thickness direction according to a new exponential power law distribution in terms of the carbon nanotube volume fractions. The single-walled carbon nanotube is aligned and distributed in the polymeric matrix with different patterns of reinforcement; the material properties of the CNTRC beams are described by using the rule of mixture. The governing equations are derived through using Hamilton's principle. The Navier solution method is used under the specified boundary conditions for simply supported CNTRC beams. The mathematical models provided in this work are numerically validated by comparison with some available results. New results of critical buckling with the non-linear distribution of CNT volume fraction in different patterns are presented and discussed in detail, and compared with the linear distribution. Several aspects of beam types, CNT volume fraction, exponent degree (n), aspect ratio, etc., are taken into this investigation. It is revealed that the influences of non-linearity distribution in the beam play an important role to improve the mechanical properties, especially in buckling behavior. The results show that the X-Beam configuration is the strongest among all different types of CNTRC beams in supporting the buckling loads.
Azza M. Al-Ashmawy;Osman Shallan;Tharwat A. Sakr;Hanaa E. Abd-EL-Mottaleb
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.6
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pp.599-608
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2023
The present study is focused on instigation of the nonlinear mechanical behavior of reinforced concrete beams considering different types of FRP bars through nonlinear finite element simulations. To explore the impact of the FRP reinforcement type and geometry on the nonlinear mechanical behavior of reinforced beam, intensive parametric studies are carried out and discussed. Twenty models were carried out based on the finite element software (ABAQUS). The concrete damage plasticity model was considered. Four types of fiber polymer bars, CFRP, GFRP, AFRP and BFRP as longitudinal reinforcement for concrete beam were used. The validation of numerical results was confirmed by experimental as well as numerical results, then the parametric study was conducted to evaluate the effect of change in different parameters, such as bar diameter size, type of FRP bars and shear span length. All results were analyzed and discussed through, load-deflection diagram. The results showed that the use of FRP bars in rebar concrete beam improves the beam stiffness and enhance the ultimate load capacity. The load capacity enhanced in the range of (20.44-244.47%) when using different types of FRP bars. The load-carrying capacity of beams reinforced with CFRP is the highest one, beams reinforced with AFRP is higher than that reinforced with BFRP but beams reinforced with GFRP recorded the lowest load of capacity compered with other beams reinforced with FRP Bars.
The current study is dedicated to study the thermal effects of wave propagation in beams, reinforced by carbon nanotubes (CNT). Beams, made up of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) are the future materials in various high tech industries. Herein a Winkler elastic foundation is assumed in order to make the model more realistic. Mostly, CNTs are pervaded in cross section of beam, in various models. So, it is tried to use four of the most profitable reconstructions. The homogenization of elastic and thermal properties such as density, Yong's module, Poisson's ratio and shear module of CNTRC beam, had been done by the demotic rule of mixture to homogenize, which gives appropriate traits in such settlements. To make this investigation, a perfect one, various shear deformation theories had been utilized to show the applicability of this theories, in contrast to their theoretical face. The reigning equation had been derived by extended Hamilton principle and the culminant equation solved analytically by scattering relations for propagation of wave in solid bodies. Results had been verified by preceding studies. It is anticipated that current results can be applicable in future studies.
This paper investigates the flexural stiffness of simply supported steel-concrete composite I-beams under positive bending moment through combined experimental, numerical, and different standard methods. 14 composite beams are tested for experimental study and parameters including shear connection degree, transverse and longitudinal reinforcement ratios, loading way are also investigated. ABAQUS is employed to establish finite element (FE) models to simulate the flexural behavior of composite beams. The influences of a few key parameters, such as the shear connection degree, stud arrangement, stud diameter, beam length, loading way, on the flexural stiffness is also studied by parametric study. In addition, three widely used standard methods including GB, AISC, and British standards are used to estimate the flexural stiffness of the composite beams. The results are compared with the experimental and numerical results. The findings have provided comprehensive understanding of the flexural stiffness and the modelling of the composite beams. The results also indicate that GB 50017-2003 could provide better results in comparison to the other standards.
In this work, the buckling and vibrational behavior of the composite beam armed with single-walled carbon nanotubes (SW-CNT) resting on Winkler-Pasternak elastic foundation are investigated. The CNT-RC beam is modeled by a novel integral first order shear deformation theory. The current theory contains three variables and uses the shear correction factors. The equivalent properties of the CNT-RC beam are computed using the mixture rule. The equations of motion are derived and resolved by Applying the Hamilton's principle and Navier solution on the current model. The accuracy of the current model is verified by comparison studies with others models found in the literature. Also, several parametric studies and their discussions are presented.
This paper investigates the probability of failure of reinforced concrete beams for limit state of collapse for flexure and shear. The influence of randomness of the variables on the failure probability is also examined. The Indian standard code for plain and reinforced concrete IS456:2000 is used for the design of beams. Probabilistic models are developed for flexure and shear according to IS456:2000. The loads considered acting on the beam are live load and dead load only. Random variables associated with the limit state equation such as grade of concrete, grade of steel, live load and dead load are identified. Probability of failure is evaluated based on the limit state equation using First Order Reliability Method (FORM). Importance of the random variables on the limit state equations are observed and the variables are accordingly reduced. The effect of the reduced parameters is checked on the probability of failure. The results show the role of each parameter on the design of beam. Thus, the Indian standard guidelines for plain and reinforced concrete IS456:2000 is investigated with the probabilistic and risk-based analysis and design for a simple beam. The results obtained are also compared with the literature and accordingly some suggestions are made.
This paper aims to study the seismic performance of external diaphragm connection between SST (square steel tube) column and H-shaped beam through experimental and analytical study involving finite element (FE) method and theoretical analysis. In the experimental study, three external diaphragm connection specimens with weak panel zone were tested under axial pressure on the top of the column and antisymmetric cyclic loads at the beam end to investigate the seismic performance of the panel zone. The hysteretic behavior, failure mode, stiffness and ductility of the specimens were discussed. Key point to be explored was the influence of the thickness of the steel tube flange on the shear capacity of the specimens. In the analytical study, three simplified FE models were developed to simulate the seismic behavior of the specimens for further analysis on the influence of steel tube flange. Finally, four existing calculation formulas for the shear capacity of the external diaphragm connection were evaluated through comparisons with the results of experiments and FE analysis, and application suggestions were put forward.
In this thesis, the crack investigation, the damage investigation, the drawing check, and the structural analysis were performed on a curved hollow RC(reinforced concrete) slab bridge structure to assess the structural safety of that. From the crack investigation result, main reason of crack occurrence is guessed with travelling of the large truck. Therefore reinforcement of slab structure is necessary by using the steel plate. When structural analysis, the straight beam model, the curved beam model, and the curved plate model is used. From the results of structural analysis for curved hollow RC slab bridge, the maximum bending moment and the maximum shear force was not a difference in each models. But the vertical displacement of mid span using the curved beam model was greater than that using the other models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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