Comparative analyses of a shield building subjected to a large commercial aircraft impact between decoupling method and coupling method are performed in this paper. The decoupling method is applying impact force time-history curves on impact area of the shield building to study impact damage effects on structure. The coupling method is using a model including aircraft and shield building to perform simulation of the entire impact process. Impact force time-history curves of the fuselage, wing and engine and their total impact force time-history curve are obtained by the entire aircraft normally impacting the rigid wall. Taking aircraft structure and impact progress into account some loading areas are determined to perform some comparative analyses between decoupling method and coupling method, the calculation results including displacement, plastic strain of concrete and stress of steel plate in impact area are given. If the loading area is determined unreasonably, it will be difficult to assess impact damage of impact area even though the accurate impact force of each part of aircraft obtained already. The coupling method presented at last in this paper can more reasonably evaluate the dynamic response of the shield building than the decoupling methods used in the current nuclear engineering design.
Mohammed Sid Ahmed Houari;Aicha Bessaim;Smain Bezzina;Abdelouahed Tounsi
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.3
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pp.373-384
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2023
The main objective of this research work is to present analytical solutions for the thermoelastic bending analysis of sandwich plates made of functionally graded materials with an arbitrary gradient. The governing equations of equilibrium are solved for a functionally graded sandwich plates under the effect of thermal loads. The transverse shear and normal strain and stress effects on thermoelastic bending of such sandwich plates are considered. Field equations for functionally graded sandwich plates whose deformations are governed by either the shear deformation theories or the classical theory are derived. Displacement functions that identically satisfy boundary conditions are used to reduce the governing equations to a set of coupled ordinary differential equations with variable coefficients. The results of the shear deformation theories are compared together. Numerical results for deflections and stresses of functionally graded metal-ceramic plates are investigated.
The present research examines the primary resonance (PR) behaviors of oblique stiffened multilayer functionally graded (OSMFG) shallow shells featuring an FG porous (FGP) core under an external excitation. The research considers two distinct types of FGP cores: one characterized by uniform porosity distribution (UPD) and the other by non-uniform porosity distribution (NPD) along the thickness direction. Furthermore, the study explores two types of shallow shells: one with external oblique stiffeners and one with internal oblique stiffeners, which might have angles that are similar or different from each other. Using the stress function alongside the first-order shear deformation theory (FSDT), the research establishes a nonlinear model for OSMFG shallow shells. The strain-displacement relationships are obtained utilizing FSDT and von-Kármán's geometric assumptions. The Galerkin approach is utilized to discretize the nonlinear governing equations, allowing for the analysis of stiffeners at varied angles. To validate the obtained results, a comparison is made not only with the findings of previous research but also with the response of PR obtained theoretically with the method of multiple scales, using the P-T method. Renowned for its superior accuracy and reliability, the P-T method is deemed an apt selection within this framework. Additionally, the study investigates how differences in material characteristics and stiffener angles affect the system's PR behaviors. The results of this study can be used as standards by engineers and researchers working in this area, and they can offer important information for the design and evaluation of the shell systems under consideration.
An advanced numerical method is proposed in this paper for the second-order inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges using rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns under earthquake loadings for the first time. The proposed method can exactly predict the nonlinear response of the bridges by using only one element per member in simulating the structural model. This comes from considering both the geometric and material nonlinearities in a fiber beam-column element and a catenary cable element. In the fiber beam-column element, the geometric nonlinearities are captured by applying the stability functions, whereas the material nonlinearities are evaluated by tracing the uniaxial cyclic stress-strain curves of each fiber on the cross-sections, which are located at the integration points along the member length. A computer program was developed based on Newmark's average acceleration algorithm to solve the nonlinear equations of motion. The accuracy and computational efficiency of the proposed program were verified by comparing the predicted results with the experimental results, and the results obtained from the commercial software SAP2000 and ABAQUS. The proposed program is promising as a useful tool for practical designs for the nonlinear inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges.
Qu, Xiushu;Chen, Zhihua;Nethercot, David A.;Gardner, Leroy;Theofanous, Marios
Steel and Composite Structures
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v.19
no.1
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pp.21-41
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2015
Push-out tests have been conducted on 18 rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns with the aim of studying the bond behaviour between the steel tube and the concrete infill. The obtained load-slip response and the distribution of the interface bond stress along the member length and around the cross-section for various load levels, as derived from measured axial strain gradients in the steel tube, are reported. Concrete compressive strength, interface length, cross-sectional dimensions and different interface conditions were varied to assess their effect on the ultimate bond stress. The test results indicate that lubricating the steel-concrete interface always had a significant adverse effect on the interface bond strength. Among the other variables considered, concrete compressive strength and cross-section size were found to have a pronounced effect on the bond strength of non-lubricated specimens for the range of cross-section geometries considered, which is not reflected in the European structural design code for composite structures, EN 1994-1-1 (2004). Finally, based on nonlinear regression of the test data generated in the present study, supplemented by additional data obtained from the literature, an empirical equation has been proposed for predicting the average ultimate bond strength for SHS and RHS filled with normal strength concrete.
The nature, degree, and evolution of contact damage from Hertzian contacts in silicon nitride-boron nitride composites($Si_3N_4-BN$) are investigated as a function of boron nitride content. The strong deviations of indentation stress-strain from elastic response indicate exceptional plasticity in $Si_3N_4-BN$. The absence of ring cracks or cone cracks on the surfaces is observed, indicating a high damage tolerance. Subsurface quasi- plastic deformation by shear stress is considerable and microdamage is widely distributed within the region below the contact. Shear faults associated with local microfailures play a precursor role in plasticity of this material. When boron nitride content increases, $Si_3N_4-BN$ becomes softer and more quasi-plastic.
This paper presents a hypoplastic model for three-dimensional analysis of concrete structures under monotonic, cyclic, proportional and non-proportional loading. The constitutive model is based on the concept of equivalent uniaxial strains that allows the assumed orthotropic model to be described via three equivalent uniaxial stress-strain curves. The characteristics of these curves are obtained from the ultimate strength surface in the principal stress space based on the Willam-Warnke curve. A cap model is added to consider loading along or near the hydrostatic axis. The equivalent uniaxial curve is based on the Popovics and Saenz models. The post-peak behavior is adjusted to account for the effects of confinement and to describe the change in response from brittle to ductile as the lateral confinement increases. Correlation studies with available experimental tests are presented to demonstrate the model performance. Tests with monotonic loading on specimens under constant lateral confinement are considered first, followed by biaxial and triaxial tests with cyclic loads. The triaxial test example considers non-proportional loading.
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.
Steel fibre-reinforced concrete (SFRC) is an emerging class of composite for construction. However, a reliable method to assess the flexural behaviour of SFRC structural member is in lack. An analytical technique is proposed for determining the moment-curvature response of concrete beams reinforced with steel fibres and longitudinal bars (R/SFRC members). The behaviour of the tensile zone of such members is highly complex due to the interaction between the residual (tension softening) stresses of SFRC and the tension stiffening stresses. The current study suggests a transparent and mechanically sound method to combine these two stress concepts. Tension stiffening is modelled by the reinforcement-related approach assuming that the corresponding stresses act in the area of tensile reinforcement. The effect is quantified based on the analogy between the R/SFRC member and the equivalent RC member having identical geometry and materials except fibres. It is assumed that the resultant tension stiffening force for the R/SFRC member can be calculated as for the equivalent RC member providing that the reinforcement strain in the cracked section of these members is the same. The resultant tension stiffening force can be defined from the moment-curvature relation of the equivalent RC member using an inverse technique. The residual stress is calculated using an existing model that eliminates the need for dedicated mechanical testing. The proposed analytical technique was validated against test data of R/SFRC beams and slabs.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.3D
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pp.399-405
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2008
Development of the paved track is required as a low-maintenance of conventional line. The paved tracks are one of the types of the ballast reinforced tracks those are manufactured by adopting the prepacked concrete technique. The main elements of this tracks are large sleeper, low elastic pad, fastener, cement mortar, geotextile and recycled ballast. Low elastic pad is the most effective element of such tracks on the basis of stress-displacement characteristics, dynamic response and fatigue characteristics. The stiffness of the pad determine the stiffness of the track. Consequently, it is more important in case of concrete track structure such as paved track because application of low elastic pad seriously effect the durability and stability of the track. The main objective of this study is to confirm the reduction of train load, which transfer to roadbed through various pad effects. To achieve this task static, numerical analysis and real scale repeated loading test was performed while load reduction effect of low elastic pad was analyzed by using displacement, stress and strain ratio characteristics of the paved track.
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