This paper presents a theoretical approach of the structures reinforced with bonded FRP composites, taking into account loading model, shear lag effect and the thermal effect. These composites are used, in particular, for rehabilitation of structures by stopping the propagation of the cracks. They improve rigidity and resistance, and prolong their lifespan. In this paper, an original model is presented to predict and to determine the stresses concentration at the FRP end, with the new theory analysis approach. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, i.e., the concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. The numerical resolution was finalized by taking into account the physical and geometric properties of materials that may play an important role in reducing the stress values. This solution is general in nature and may be applicable to all kinds of materials.
Li Zhu;Ray Kai-Leung Su;Wei Liu;Tian-Nan Han;Chao Chen
Steel and Composite Structures
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v.48
no.2
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pp.207-233
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2023
Steel-concrete composite box girder bridges are widely used in the construction of highway and railway bridges both domestically and abroad due to their advantages of being light weight and having a large spanning ability and very large torsional rigidity. Composite box girder bridges exhibit the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip under various loads during operation. As one of the most commonly used calculation tools in bridge engineering analysis, one-dimensional models offer the advantages of high calculation efficiency and strong stability. Currently, research on the one-dimensional model of composite beams mainly focuses on simulating interface longitudinal slip and the shear lag effect. There are relatively few studies on the one-dimensional model which can consider the effects of restrained torsion, distortion and interface transverse slip. Additionally, there are few studies on vehicle-bridge integrated systems where a one-dimensional model is used as a tool that only considers the calculations of natural frequency, mode and moving load conditions to study the dynamic response of composite beams. Some scholars have established a dynamic analysis model of a coupled composite beam bridge-train system, but where the composite beam is only simulated using a Euler beam or Timoshenko beam. As a result, it is impossible to comprehensively consider multiple complex force effects, such as shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip of composite beams. In this paper, a 27 DOF vehicle rigid body model is used to simulate train operation. A two-node 26 DOF finite beam element with composed box beams considering the effects of shear lag, restrained torsion, distortion and interface bidirectional slip is proposed. The dynamic analysis model of the coupled composite box girder bridge-train system is constructed based on the wheel-rail contact relationship of vertical close-fitting and lateral linear creeping slip. Furthermore, the accuracy of the dynamic analysis model is verified via the measured dynamic response data of a practical composite box girder bridge. Finally, the dynamic analysis model is applied in order to study the influence of various mechanical effects on the dynamic performance of the vehicle-bridge system.
This paper presents a new and simple solution for determining the natural frequencies of framed tube combined with shear-walls and tube-in-tube systems. The novelty of the presented approach is based on the bending moment function approximation instead of the mode shape function approximation. This novelty makes the presented solution very simpler and very shorter in the mathematical calculations process. The shear stiffness, flexural stiffness and mass per unit length of the structure are variable along the height. The effect of the structure weight on its natural frequencies is considered using a variable axial force. The effects of shear lag phenomena has been investigated on the natural frequencies of the structure. The whole structure is modeled by an equivalent non-prismatic shear-flexural cantilever beam under variable axial forces. The governing differential equation of motion is converted into a system of linear algebraic equations and the natural frequencies are calculated by determining a non-trivial solution for the system of equations. The accuracy of the proposed method is verified through several numerical examples and the results are compared with the literature.
Kim, Jae Hyun;Jang, Beom Soo;Choi, Seung-Ho;Lee, Yoon Jung;Jeong, Ho Seong;Kim, Kang Su
Earthquakes and Structures
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v.21
no.6
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pp.653-667
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2021
In this study, cyclic loading tests were conducted on the precast concrete (PC) wide beam (WB)-column joints. Two beam-column joint specimens were fabricated with the arrangement and anchorage details of the reinforcing bars penetrating the beam and column as variables. Through a cyclic loading test, the lateral load-story drift ratio responses, seismic performance characteristics (e.g., ductility, overstrength factor), energy dissipation, strength and stiffness degradations of each specimen were compared and analyzed based on the various indices and the current structural codes (ACI 318-19 and ACI 374.1-05 report). In addition, the shear lag effect was confirmed through the gauge values of the PC beam, and the differences in seismic performance between the specimens were identified on that basis.
Rahgozar, Reza;Ahmadi, Ali Reza;Hosseini, Omid;Malekinejad, Mohsen
Structural Engineering and Mechanics
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v.40
no.1
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pp.65-84
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2011
In this paper a simple mathematical model for approximate static analysis of combined system of framed tube, shear core and two outrigger-belt truss structures subjected to lateral loads is presented. In the proposed methodology, framed tube is modeled as a cantilevered beam with a box section and interaction between shear core and outrigger-belt truss system with framed tube is modeled using torsional springs placed at location of outrigger-belt truss; these torsional springs act in a direction opposite to rotation generated by lateral loads. The effect of shear lag on axial deformation in flange is quadratic and in web it is a cubic function of geometry. Here the total energy of the combined system is minimized with respect to lateral deflection and rotation in plane section. Solution of the resulting equilibrium equations yields the unknown coefficients of shear lag along with the stress and displacement distributions. The results of a numerical example, 50 storey building subjected to three different types of lateral loading obtained from SAP2000 are compared to those of the proposed method and the differences are found to be reasonable. The proposed method can be used during the preliminary design stages of a tall building and can provide a better understanding of the effects of various parameters on the overall structural behavior.
In this paper, an improved theoretical interfacial stress analysis is presented for simply supported composite aluminum- sandwich honeycomb beam strengthened by imperfect FGM plateusing linear elastic theory. The adherend shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a linear shear stress through the thickness of the adherends, while all existing solutions neglect this effect. Remarkable effect of shear deformations of adherends has been noted in the results.It is shown that both the sliding and the shear stress at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam. This new solution is intended for applicationto composite beams made of all kinds of materials bonded with a thin plate. Finally, numerical comparisons between the existing solutions and the present new solution enable a clear appreciation of the effects of various parameters.
The effective flange width was usually introduced into elementary beam theory to consider the shear lag effect in steel-concrete composite beams. Previous studies have primarily focused on the effective width under positive moments and elastic loading, whereas it is still not clear for negative moment cases in the normal service stages. To account for this problem, this paper proposed simplified formulas for the effective flange width and reinforcement stress of composite beams under negative moments in service stages. First, a 10-degree-of-freedom (DOF) fiber beam element considering the shear lag effect and interfacial slip effect was proposed, and a computational procedure was developed in the OpenSees software. The accuracy and applicability of the proposed model were verified through comparisons with experimental results. Second, a method was proposed for determining the effective width of composite beams under negative moments based on reinforcement stress. Employing the proposed model, the simplified formulas were proposed via numerical fitting for cases under uniform loading and centralized loading at the mid-span. Finally, based on the proposed formulas, a simplified calculation method for the reinforcement stress in service stages was established. Comparisons were made between the proposed formulas and design code. The results showed that the design code method greatly underestimated the contribution of concrete under negative moments, leading to notable overestimations in the reinforcement stress and crack width.
In this paper, the optimum location of the belt truss-outrigger for a combined system of framed tube, shear core and outrigger-belt truss is calculated. The optimum location is determined by maximization of the first natural frequency. The framed tube is modeled using a non-prismatic cantilever beam with hollow box cross section. The governing differential equation is solved using the weak form integral equations and the natural frequencies of the structure are calculated. The graphs are introduced for quick calculation of the first natural frequency. The location of the belt truss-outrigger that maximizes the first natural frequency of the structure is introduced as an optimum location. The structure is modeled using SAP-2000 finite elements software. In the modelling, the location of the belt truss-outrigger is changed along the height of the structure. With various locations of the outrigger, the lateral deflection of the all stories and axial force in the columns of the outer tube are calculated. The analysis is repeated by locating the outrigger-belt truss at the optimum location. The analysis results are compared and effect of the optimum location on the lateral deflection and the shear lag phenomena are investigated.
This paper presents a closed-form higher-order analysis of interfacial shear stresses in RC continuous beams strengthened with bonded prestressed laminates. For retrofitting reinforced concrete continuous beams is to bond fiber reinforced prestressed composite plates to their tensile faces. An important failure mode of such plated beams is the debonding of the composite plates from the concrete due to high level of stress concentration in the adhesive at the ends of the composite plate. The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened beam, where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. In the present theoretical analysis, the adherend shear deformations are taken into account by assuming a parabolic shear stress through the thickness of both the RC continuous beams strengthened with bonded prestressed laminates. The theoretical predictions are compared with other existing solutions. A parametric study has been conducted to investigate the sensitivity of interface behavior to parameters such as laminate stiffness and the thickness of the laminate where all were found to have a marked effect on the magnitude of maximum shear and normal stress in the composite member.
The flexural strengthening of reinforced concrete beams by external bonding of composite materials has proved to be an efficient and practical technique. This paper presents a study on the flexural performance of reinforced concrete continuous beams with three spans (one span and two cantilevered) strengthened by bonding carbon fiber fabric (CFRP). The model is based on equilibrium and deformations compatibility requirements in and all parts of the strengthened continuous beam, i.e., the continuous concrete beam, the FRP plate and the adhesive layer. The adherend shear deformations have been included in the present theoretical analyses by assuming a linear shear stress through the thickness of the adherends. Remarkable effect of shear deformations of adherends has been noted in the results. The theoretical predictions are compared with other existing solutions that shows good agreement, and It shows the effectiveness of CFRP strips in enhancing shear capacity of continuous beam. It is shown that both the normal and shear stresses at the interface are influenced by the material and geometry parameters of the composite beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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