Deifalla, Ahmed F.;Fattouh, Fattouh M.;Fawzy, Mona M.;Hussein, Ibrahim S.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.6
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pp.793-803
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2019
Concrete-filled steel tubular (CFST) beam-columns are widely used owing to their good performance. They have high strength, ductility, large energy absorption capacity and low costs. Externally stiffened CFST beam-columns are not used widely due to insufficient design equations that consider all parameters affecting their behavior. Therefore, effect of various parameters (global, local slenderness ratio and adding hoop stiffeners) on the behavior of CFST columns is studied. An experimental study that includes twenty seven specimens is conducted to determine the effect of those parameters. Load capacities, vertical deflections, vertical strains and horizontal strains are all recorded for every specimen. Ratio between outer diameter (D) of pipes and thickness (t) is chosen to avoid local buckling according to different limits set by codes for the maximum D/t ratio. The study includes two loading methods on composite sections: steel only and steel with concrete. The case of loading on steel only, occurs in the connection zone, while the other load case occurs in steel beam connecting externally with the steel column wall. Two failure mechanisms of CFST columns are observed: yielding and global buckling. At early loading stages, steel wall in composite specimens dilated more than concrete so no full bond was achieved which weakened strength and stiffness of specimens. Adding stiffeners to the specimens increases the ultimate load by up to 25% due to redistribution of stresses between stiffener and steel column wall. Finally, design equations previously prepared are verified and found to be only applicable for medium and long columns.
In-plane and out-of-plane free vibration analysis of Timoshenko curved beams is addressed based on the isogeometric method, and an effective scheme to avoid numerical locking in both of the two patterns is proposed in this paper. The isogeometric computational model takes into account the effects of shear deformation, rotary inertia and axis extensibility of curved beams, and is applicable for uniform circular beams, and more complicated variable curvature and cross-section beams as illustrated by numerical examples. Meanwhile, it is shown that, the $C^{p-1}$-continuous NURBS elements remarkably have higher accuracy than the finite elements with the same number of degrees of freedom. Nevertheless, for in-plane or out-of-plane vibration analysis of Timoshenko curved beams, the NURBS-based isogeometric method also exhibits locking effect to some extent. To eliminate numerical locking, the selective reduced one-point integration and $\bar{B}$ projection element based on stiffness ratio is devised to achieve locking free analysis for in-plane and out-of-plane models, respectively. The suggested integral schemes for moderately slender models obtain accurate results in both dominated and non-dominated regions of locking effect. Moreover, this strategy is effective for beam structures with different slenderness. Finally, the influence factors of structural parameters of curved beams on their natural frequency are scrutinized.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
In this study, the lateral behavior of Pile-Bent structures subjected to lateral loading was evaluated by a load-transfer approach. An analytical method based on the Beam-Column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic and yielding) and $P-{\Delta}$ effect. Special attention was given to the lateral deflection of Pile-Bent structures depending on different soil properties, lateral load, slenderness ratio based on pier length and reinforcing effect of casing. From the results of the parametric study, it is shown that the increase of lateral displacement in a pile is much less favorable for an inelastic analysis than for an elastic analysis. It is found that for inelastic analysis, the maximum bending moment is located within a depth approximately 3.5D(D: pile diameter) below ground surface, but within 1.5D when $P-{\Delta}$ effect is considered. It is also found that the magnitude and distribution of the lateral deflections and bending moments on a pile are highly influenced by the inelastic analysis and $P-{\Delta}$ effect, let alone soil properties around an embedded pile.
Flexural tests on full-scale H-shaped beams, built up from high-strength steels (HSB800 and HSA800) with a nominal tensile strength of 800 MPa, was carried out to study the effect of flange slenderness of high-strength steel on flexural strength and rotation capacity. The primary objective was to investigate the appropriateness of extrapolating current stability criteria (originally developed for ordinary steel) to high-strength steel. The performance of high-strength steel specimens was very satisfactory from the strength, but not from the rotation capacity, perspective. The inferior rotation capacity of high-strength steel beams was shown to be directly attributable to the absence of a distinct yield plateau and the high yield ratio of the material. Residual stress measurements reconfirmed that the magnitude of the residual stress is almost independent of the yield stress of the base metal.
Khalaj, Omid;Siabil, Seyed Mohammad Amin Ghotbi;Azizian, Mehran;Tafreshi, Seyed Naser Moghaddas;Masek, Bohuslav;Kepka, Miloslav;Kavalir, Tomas;Krizek, Michal;Jirkova, Hana
Geomechanics and Engineering
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v.22
no.6
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pp.475-488
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2020
The recent increase in the use of Expanded Polystyrene (EPS) geofoam in construction and geotechnical projects has driven researchers to investigate its behavior, more deeply. In this paper, a series of experimental tests to investigate the stress-strain behavior and the mechanical properties of EPS blocks, under monotonic axial loading are presented. Four different densities of cylindrically shaped EPS with different dimensions are used to investigate the effects of loading rate, height and diameter, as well as the influence of the density of EPS on the stress-strain response. The results show that increasing the height of the EPS samples leads to instability of the sample and consequent lower resistance to the applied pressure. Large EPS samples show higher Young's modulus and compressive resistance due to some boundary effects. An increase in the rate of loading can increase the elastic moduli and compressive resistance of the EPS geofoam samples, which also varies depending on the density of the samples. It was also determined that the elastic modulus of EPS increases with increasing EPS density. By implementing an efficient numerical procedure, the stress-strain response of EPS geofoam samples can be reproduced with great accuracy. The numerical analysis based on the proposed method can used to evaluate the effect of different factors on the behavior of EPS geofoam.
In the beam-like ship vibration analysis. three-dimensional correction factor(J-factor) can be calculated by considering the three-dimensional effect of the two-dimensional added mass. However, existing method is time-consuming with low accuracy in respect of global vibration analyses for vessels with large breadth. In this paper, to improve the demerit of the previous method, a new method of the beam-like ship vibration analysis is introduced In this method. the three-dimensional fluid added mass of surrounding water is calculated directly by solving the velocity potential problem using the Boundary Element Method (BEM). Then the three-dimensional added mass is evaluated as the lumped mass for each strip. Also, the beam-like ship vibration analysis for the structural beam model if performed with the lumped mass considered. It was verified that this new method is useful for the beam-like ship vibration analysis by comparing results obtained from both the existing method and the new method with experimental measurements for the open top container model.
Kim, Sang-Hyun;Han, Jae-Jun;Chung, Jin-Taek;Kim, Yun-Jae
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.11
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pp.1379-1386
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2013
The present work reports the mismatch limit loads for a V-groove welded pipe for a circumferential crack using finite element (FE) analyses. To integrate the effect of groove angles on mismatch limit loads, one geometry-related slenderness parameter was modified by relevant geometric parameters including the groove angle, crack depth, and root opening based on plastic deformation patterns in the theory of plasticity. Circumferential through-wall cracks are located at the centre of the weldments with two different groove angles ($45^{\circ}$, $90^{\circ}$). With regard to the loading conditions, axial (longitudinal) tension and bending are applied for all cases. For the parent and weld metal, elastic-perfectly plastic materials are considered to simulate and analyze under- and over-matching conditions in plasticity. The overall results from the proposed solutions are found to be similar to the FE results.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.5
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pp.101-109
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2018
Modular structural systems have been used increasingly for low- and mid-rise structures such as school and apartment buildings. Studies have recently been conducted on the application of the modular structural system to high-rise buildings. To provide sufficient resistances and economical construction for the high-rise modular structural system, a composite unit modular structure was proposed. In this study, the strength of the non-symmetric composite column for the proposed composite unit modular structure was investigated through a series of tests. The experimental study focused on the effect of the slenderness of the column, eccentricity, and through bars on the strength of such a column. Design equations for the non-symmetric column for a modular unit structure were also proposed. From the results, it was found that the proposed design equations provide reasonable strength prediction of the non-symmetric composite column for the modular unit structure.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.38
no.3
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pp.50-57
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1996
A numerical method is presented to obtain the natural frequencies and mode shapes of the arbitrary tapered beams with static deflection due to arbitrary distributed dead loads. The differential equation governing free vibration of such beams is derived and solved numerically. The double integration method using the trapezoidal rule is used to solve the static behaviour of beams loaded arbitrary distributed dead load. Also, the Improved Euler method and the determinant search method are used to integrate the differential equation subjected to the boundary conditions and to determine the natural frequencies of the beams, respectively. In the numerical examples, the various geometries of the beams are considered : (1) linearly tapered beams as the arbitrary variable cross-section, (2) the triangular, sinusoidal and uniform loads as the arbitrary distributed dead loads and (3) the hinged-hinged, clamped-clamped and hinged-clamped ends as the end constraints. All numerical results are shown as the non-dimensional forms of the system parameters. The lowest three natural frequencies versus load parameter, slenderness ratio and section ratio are reported in figures. And for the comparison purpose, the typical mode shapes with and without the effects of static deflection are presented in the figure. According to the numerical results obtained in this analysis, the following conclusions may be drawn : (1) the natural frequencies increase when the effects of static deflections are included, (2) the effects are larger at the lower modes than the higher ones and (3) it should be betteF to include the effect of static deflection for calculating the frequencies when the beams are supported by both hinged ends or one hinged end.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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