A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
Hajdo, Emina;Mejia-Nava, Rosa Adela;Imamovic, Ismar;Ibrahimbegovic, Adnan
Coupled systems mechanics
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v.10
no.1
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pp.79-102
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2021
In this paper we deal with instability problems of structures under nonconservative loading. It is shown that such class of problems should be analyzed in dynamics framework. Next to analytic solutions, provided for several simple problems, we show how to obtain the numerical solutions to more complex problems in efficient manner by using the finite element method. In particular, the numerical solution is obtained by using a modified Euler-Bernoulli beam finite element that includes the von Karman (virtual) strain in order to capture linearized instabilities (or Euler buckling). We next generalize the numerical solution to instability problems that include shear deformation by using the Timoshenko beam finite element. The proposed numerical beam models are validated against the corresponding analytic solutions.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.05a
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pp.407-410
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2005
This paper describes an evaluation of reinforcement tension in RC beams using the variable truss models. The models were examined with the beam test results by Kim, Kim and White. Consequently, a fixed inclination $\theta$ at the support un-explains global state of internal force flow in cracked reinforced concrete beams subjected to shear and bending. Accordingly, we must introduce the arch factor for development of consistent model in reinforced concrete beams subjected to shear and bending
In this study, bending test was performed on the real-scale, built-up beam test model fabricated by the $CO_2$ arc spot welding to evaluate the applicability of the welding method to the production of the stiffened plate in car-carrying ship. The built-up beam models which were fixed at both ends in longitudinal direction or simply supported to the rigid foundation, depending on the restraint condition of the corresponding car decks considered, were subjected to simulated design vehicle loads or concentrated point loads. During the test, the central deflection and the longitudinal bending stresses were measured from several points on the longitudinal flange face to predict the section properties of the built-up beams. The longitudinal bending stress on each spot weld were also measured to calculate the average horizontal shear force subjected to spot welds. Test results revealed that the shear strength of spot welds with their current weld nugget size and welding pitch was adequate enough to withstand the horizontal shear forces under the design vehicle loads. Although the built-up beam fabricated by the arc spot welding was a discontinuous beam, its mechanical behavior was well explained by the continuous beam theory using the effective breadth of plate. Based on test results, the criterion for the size of spot weld of which the average shear stress might meet the allowable stress requirement of AWS Code could be established.
Based on Hamilton's principle, the flexural vibration differential equations and boundary conditions of the steel-concrete composite beam (SCCB) with comprehensive consideration of the influences of the shear deformation, interface slip and longitudinal inertia of motion were derived. The analytical natural frequencies of flexural vibration were compared with available results previously observed by the experiments, the results calculated by the FE model and the other similar beam theories available in the open literatures. The comparison results showed that, the calculation results of the analytical and Timoshenko models had a good agreement with the results of the experimental test and FE model. Finally, the influences of shear deformation and interface slip on the flexural natural frequencies of the SCCB were discussed. The shear deformation effect increases with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the flexural natural frequencies of the higher mode orders ignoring the influence of shear deformations effect would be overestimated. The interface slip effect decrease with the increase of the mode orders of flexural natural vibration, and the influence of the interface slip effect on flexural natural frequencies of the low mode orders is significant. The influence of the degree of shear connection on shear deformation effect is insignificant, and the low order modes of flexural natural vibration are mainly composed of the rotational displacement of cross sections.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.20
no.3
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pp.1-9
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2016
The purpose of this study is to examine the shear strength and structural performance of DH-Beams. The DH-Beam construction method uses thin steel plates as form-works and structural elements. Steel plates and rebars for DH-Beams were prefabricated at factory and then erected before casting concrete at construction sites. In this study, the contribution of steel plates to the shear strength of DH-Beam was evaluated since the plates were expected to work as reinforcements. Five test specimens were made for experimental and analytical studies. They consisted of two DH-Beams for the positive loading test and two DH-Beams for the negative loading test and a RC beam for the comparison purpose. Test results on DH-Beams were compared with design equations and the RC beam test result. It was proven that DH-Beams demonstrated the good shear behavior showing sufficient strengths and deformation capacities. Nonlinear analyses with test specimens were also used to evaluate the contribution of DH plates to strengths. Analytical models included various cases such as beams with lateral plates only or beams without any plates. These analyses also showed that steel plates can contribute to the enhancement of shear strength of DH-Beams. Based on experimental and analytical studies, it was concluded that steel plates of DH-Beams can be used as good shear reinforcements.
The aim of this study is to provide experimental data regarding the compressive, shear and torsional strength of self-compacting concrete (SCC) used in rectangular beams, and then comparing the results with the equations presented by the CSA A23.3-04 and ACI 318-11. In fact, the gathered information in this field is quite useful for calibrating the computer models of other researchers. The other goal of this study was to investigate the effects of silica fume and superplasticizer dosages on the mechanical properties of SCC. In this research, SCC is made based on 16 different type mixing layout. Also two normal concrete (NC) or vibrating concrete are constructed to compare the results of SCC and NC. This work concentrated on concrete mixes having water/binder ratios of 0.45 and 0.35, which contained constant total binder contents of $400kg/m^3$ and $500kg/m^3$, respectively. The percentages of silica fume that replaced cement were 0% and 10%. The superplasticizer dosages utilized in the mixtures were 0.4%, 0.8%, 1.2% and 1.6% of the weight of cement. Beam dimensions used in this test were $30{\times}30{\times}120cm^3$. The results of this research indicated that shear and torsional strength of SCC beams to be used in computer models can be calculated utilizing the equations presented in CSA A23.3-04 and ACI 318-11.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.3
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pp.75-86
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1982
The degeneration of two classes of thick beam elements has been conducted, one (DB6) based on the conventional Timoshenko beam assumptions whereas the other (DB7) based on the assumed cubic axial displacement profile. While an adjustable shear correction factor is required for the DB 6 element to compensate for the unrealistic distribution of shear strain across the thickness, the DB 7 element assumes the more realistic quadratic profile of shear strain at the outset. With the plane-stress continuum solution as reference, solutions obtained by these two element models are compared with the analytical Timoshenko solution, the analytical thin beam solution and several available solutions of other existing beam elements. The result indicates that the performance of the higher order beam element DB 7 is consistently superior to any others. This is true for the whole range of aspect ratios of beam, in both static and free vibration analyses.
Until now, a comparative study on fully and partially-connected steel shear walls leading to enhancing strength and stiffness reduction of partially-connected steel plate shear wall structures has not been reported. In this paper a number of 4-story and 8-story steel plate shear walls, are considered with three different connection details of infill plate to surrounding frame. The specimens are modeled using nonlinear finite element method verified excellently with the experimental results and analyzed under monotonic loading. A comparison between initial stiffness and shear strength of models as well as percentage of shear force by model boundary frame and infill plate are performed. Moreover, a comparison between energy dissipation, ductility factor and distribution of Von-Mises stresses of models are presented. According to the results, the initial stiffness, shear resistance, energy dissipation and ductility of the models with beam-only connected infill plates (SSW-BO) is found to be about 53%, 12%, 15% and 48% on average smaller than those of models with fully-connected infill plates (SPSW), respectively. However, performance characteristics of semi-supported steel shear walls (SSSW) containing secondary columns by simultaneously decreasing boundary frame strength and increasing thickness of infill plates are comparable to those of SPSWs. Results show that by using secondary columns as well as increasing thickness of infill plates, the stress demands on boundary frame decreases substantially by as much as 35%. A significant increase in infill plate share on shear capacity by as much as 95% and 72% progress for the 4-story SSW-BO and 8-story SSSW8, respectively, as compared with non-strengthened counterparts. A similar trend is achieved by strengthening secondary columns of 4-story SSSW leading to an increase of 50% in shear force contribution of infill plate.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2005.03a
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pp.145-152
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2005
This paper presents a deformable strut-and-tie model of determining the shear strengths and ultimate deformations of the shear-dominant reinforced concrete members. The proposed model originates from the strut-and-tie model concept and satisfies equilibrium, compatibility, constitutive laws, and the geometric conditions of shear deformation. This study attempts to apply deformation patterns to strut-and-tie models. The yielding of flexural reinforcements determines yielding states and the ultimate states of reinforced concrete coupling beam are defined as the ultimate compressive strain of struts and the degradation of compressive strength due to principal tensile strain of struts. The validity and accuracy of the proposed model is then tested against available experimental data. The parameters reviewed include the ratios of truss action and arch action, the reinforcement ratios, and the shear span-depth ratio. It is expected that this model can be applied to displacement-based design methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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