Shear lag phenomenon has long been considered in numerous structural codes; however, the AISC provisions have now no longer proposed any unique equation to calculate the shear lag ratio in bolted connections for angles in general. It is noticeable that, however, codes used in this case are largely conservative and need to be amended. A parametric study consisting of 27 angle sections with equal legs and different with bolted connections was performed to investigate the effects of shear lag on the ultimate tensile capacity of angle members. The main parameters were: steel grade, connection length and eccentricity from the center of the plate, as well as the number of rows of bolts parallel to the applied force. The test results were compared with the predictions of the classical 1-x/l law proposed by Mons and Chesen to investigate its application to quantify the effect of shear lag. A parametric study was performed using valid FE models that cover a wide range of parameters. Finally, based on the numerical results, design considerations were proposed to quantify the effect of shear lag on the ultimate tensile capacity of the tensile members.
The shear lag has been studied for many years. Nevertheless, existing research gives a variety of stress concentration factors. Unlike the elementary beam theory, the application of load is not unique in reality. For example, concentrated load can be applied as point load or distributed load along the height of the web. This non-uniqueness may be a reason for the discrepancy of the stress concentration factors in the existing studies. The finite element method has been often employed for studying the effect of the shear lag. However, not many researches have taken into account the influence of the finite element mesh on the shear lag phenomenon, although stress concentration can be quite sensitive to the mesh employed in the finite element analysis. This may be another source for the discrepancy of the stress concentration factors. It also needs to be noted that much less studies seem to have been conducted for the shear lag effect on deflection while some design codes have formulas. The present study investigates the shear lag effect in a simply supported box girder by the three-dimensional finite element method using shell elements. The whole girder is modeled by shell elements, and extensive parametric study with respect to the geometry of a box girder is carried out. Not only stress concentration but also deflection is computed. The effect of the way load is applied and the dependency of finite element mesh on the shear lag are carefully treated. Based on the numerical results thus obtained, empirical formulas are proposed to compute stress concentration and deflection that includes the shear lag effect.
Barkhori, Moien;Maleki, Shervin;Mirtaheri, Masoud;Nazeryan, Meissam;Kolbadi, S.Mahdi S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.74
no.3
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pp.445-455
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2020
Shear lag phenomenon has long been taken into consideration in various structural codes; however, the AISC provisions have not proposed any specific equation to calculate the shear lag ratio in some cases such as fillet-welded connections of front-to-front double channel sections. Moreover, those equations and formulas proposed by structural codes are based on the studies that were conducted on riveted and bolted connections, and can be applied to single channel sections whilst using them for fillet-welded double channels would be extremely conservative due to the symmetrical shape and the fact that bending moments will not develop in the gusset plate, resulting in less stress concentration. Numerical models are used in the present study to focus on parametric investigation of the shear lag effect on fillet-welded tension connection of double channel section to a gusset plate. The connection length, the eccentricity of axial load, the free length and the thickness of gusset plate are considered as the key factors in this study. The results are then compared to the estimates driven from the AISC-LRFD provisions and alternative equations are proposed.
In this paper, the problem of interfacial stresses in steel cantilever beams strengthened with bonded composite laminates is analyzed using linear elastic theory. The analysis is based on the deformation compatibility approach, where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. The original study in this paper carried out an analytical solution to estimate shear and peel-off stresses, as, interfacial stress analysis concentration under the uniformly distributed load and shear lag deformation. The theoretical prediction is compared with authors solutions from numerous researches. This phenomenon of deformation of the members, which gives probably approach on the study of interface of the reinforced structures, is called "shear lag effect". The resolution in this paper shows that the shear stress and the normal stress are significant and, are concentrated at the end of the composite plate of reinforcement, called "edge effect". A parametric study is carried out to show the effects of the variables of design and the physical properties of materials. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of such structures.
Boules, Philopateer F.;Mehanny, Sameh S.F.;Bakhoum, Mourad M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.1
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pp.67-80
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2018
Recently, U-section decks have been more and more used in metro and light rail bridges as an innovative concept in bridge deck design and a successful alternative to conventional box girders because of their potential advantages. U-section may be viewed as a single vent box girder eliminating the top slab connecting the webs, with the moving vehicles travelling on the lower deck. U-section bridges thus solve many problems like limited vertical clearance underneath the bridge lowest point, besides providing built-in noise barriers. Beam theory in mechanics assumes that plane section remains plane after bending, but it was found that shearing forces produce shear deformations and the plane section does not remain plane. This phenomenon leads to distortion of the cross section. For a box or a U section, this distortion makes the central part of the slab lagging behind those parts closer to the webs and this is known as shear lag effect. A sample real-world double-track U-section metro bridge is modelled in this paper using a commercial finite element analysis program and is analysed under various loading conditions and for different geometric variations. The three-dimensional finite element analysis is used to demonstrate variations in the transverse bending moments in the deck as well as variations in the longitudinal normal stresses induced in the cross section along the U-girder's span thus capturing warping and shear lag effects which are then compared to the stresses calculated using conventional beam theory. This comparison is performed not only to locate the distortion, warping and shear lag effects typically induced in U-section bridges but also to assess the main parameters influencing them the most.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.511-521
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2002
A simple numerical modelling technique is proposed for estimating the shear stress distribution in beams of framed tube structures with multiple internal tubes. The structures arc analysed using a continuum approach in which each tube is individually modelled by a tube beam that accounts for the flexural and shear deformations, as well as the shear lag effects. The numerical analysis of shear stress is based on the mathematical analogy in conjunction with the elastic theory By simplifying assumptions regarding the form of strain distributions in external and internal tubes, the shear stress distributions are expressed in terms of a series of lineal functions of the second moments of area of the structures and the corresponding geometric and material properties, as well as the applied loads. Previous studies for axial stresses and shear lag phenomenon are further developed lot the numerical analysis of shear stresses in the tubes. The simplicity and accuracy of the proposed method are demonstrated through the solutions of throe numerical examples.
Dias, Maiga M.;Tamayo, Jorge L.P.;Morsch, Inacio B.;Awruch, Armando M.
Computers and Concrete
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v.15
no.4
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pp.687-707
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2015
A finite element computer code for short-term analysis of steel-concrete composite structures is extended to study long-term effects under service loads, in the present work. Long-term effects are important in engineering design because they influence stress and strain distribution of the structural system and therefore contribute to the increment of deflections in these structures. For creep analysis, a rheological model based on a Kelvin chain, with elements placed in series, was employed. The parameters of the Kelvin chain were obtained using Dirichlet series. Creep and shrinkage models, proposed by the CEB FIP 90, were used. The shear-lag phenomenon that takes place at the concrete slab is usually neglected or not properly taken into account in the formulation of beam-column finite elements. Therefore, in this work, a three-dimensional numerical model based on the assemblage of shell finite elements for representing the steel beam and the concrete slab is used. Stud shear connectors are represented for special beam-column elements to simulate the partial interaction at the slab-beam interface. The two-dimensional representation of the concrete slab permits to capture the non-uniform shear stress distribution in the horizontal plane of the slab due to shear-lag phenomenon. The model is validated with experimental results of two full-scale continuous composite beams previously studied by other authors. Results are given in terms of displacements, bending moments and cracking patterns in order to shown the influence of long-term effects in the structural response and also the potentiality of the present numerical code.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.327-334
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2002
The global behavior of tube structures (including tube and tube(s)-in-tube constructions) is investigated for the behavioral characteristics of the structures and their performance in relation to the various structural parameters. The stiffness factor in terms of the axial stiffness of the columns and the bending stiffness of both columns and beams is chosen as a parameter to explain the global behavior of the structures. The shear-lag phenomenon is also discussed to explain the general behavior of the structures. Three types of tube structures, with various structural parameters, are analysed for the comparative study, and the results are compared to investigate the structural response and performance of such structures. As a result of the comparison it is obtained that the axial stiffness of the columns is the most important factor governing the response of the tube structures under lateral loading
Kim, Jeong-Gyu;Park, Sang-Seon;Kim, Cheol-Su;Kim, Il-Hyeon
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.12
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pp.2917-2925
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2000
Tensile strength and failure process of composite materials depend on the variation in fiber strength, matrix properties and fiber-matrix interfacial shear strength. A Monte-Carlo simulation considering variation in these factors has been widely used to analyze such a complicated phenomenon as a strength and simulated the failure process of unidirectional composites. In this study, a Monte Carlo simulation using 2-D and 3-D(square and hexagonal array) model was performed on unidirectional graphite/epoxy and glass/polyester composites. The results simulated by using 3-D hexagonal array model have a good agreement with the experimental data which were tensile strength and failure process of unidirectional composites.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.1
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pp.167-175
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2018
This research deals, The characteristics of mechanics and behavior of the tube structural systems, It has been investigated and considered conventional theory and case models, It has shown the suitability, The best location, And optimal shape of the unit module system, Considered variables materials of stiffness increase and decrease in hybrid tube structural systems this study carried out adapting analysis of statistical concepts. In a concrete way, This study exams the effect of reducing horizontal displacement and the shear lag phenomenon, Also, The purpose of this study is to utilize the basic data on the design and study of future high-rise hybrid structural system using this research. As a result, The framed- tube structural system does not effectively cope with horizontal behavior of high-rise buildings, The results of using varying material tested resistance factors and lateral loads in hybrid tube structural system, When each material is compared Bracing material is identified as a key factor in lateral behavior. In a ratio of material quantity framed-tube structural system, The level of sensitivity affecting the horizontal displacement is greater then the beam's column, In case of braced tube structural system, Braced appeared to be most sensitive in comparison of material quantity ratio in columns and beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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