As the demand on long span structures increases more in recent years, the excessive deflection, in addition to the ultimate strength, in horizontal members becomes a very important issue. For this reason, as an alternative method to effectively solve the deflection problems, the application of post-tensioned structural system with unbonded tendon increases gradually. However, most of the existing researches on post-tensioned members with unbonded tendons (UPT) focused on the ultimate flexural strength, which would be impossible or improper to check serviceability such as deflections. Therefore, this study aims at proposing a stress prediction model for unbonded tendons that is applicable to the behavior of UPT members from the very initial loading stages, post-cracking states, and service to ultimate conditions. The applicability and accuracy of the proposed model were also evaluated comparing to the existing test results from literature. Based on such comparison results, it was verified that the proposed model provided very good predictions on tendon stresses of UPT members at various loading stages regardless their different characteristics; wide range of reinforcement index, different loading patterns, and etc. The proposed model especially well considered the effect of various loading types on stress increases of unbonded tendons, and it was also very suitable to apply on the over-reinforced members that easily happened during strengthening/repairing work.
In this paper, a new displacement field based on quasi-3D hybrid-type higher order shear deformation theory is developed to analyze the static and dynamic response of exponential (E), power-law (P) and sigmoïd (S) functionally graded beams. Novelty of this theory is that involve just three unknowns with including stretching effect, as opposed to four or even greater numbers in other shear and normal deformation theories. It also accounts for a parabolic distribution of the transverse shear stresses across the thickness, and satisfies the zero traction boundary conditions at beams surfaces without introducing a shear correction factor. The beam governing equations and boundary conditions are determined by employing the Hamilton's principle. Navier-type analytical solutions of bending and free vibration analysis are provided for simply supported beams subjected to uniform distribution loads. The effect of the sigmoid, exponent and power-law volume fraction, the thickness stretching and the material length scale parameter on the deflection, stresses and natural frequencies are discussed in tabular and graphical forms. The obtained results are compared with previously published results to verify the performance of this theory. It was clearly shown that this theory is not only accurate and efficient but almost comparable to other higher order shear deformation theories that contain more number of unknowns.
Most transportation departments have recognized and developed procedures to address the ever-increasing weights of trucks traveling on bridges in a service today. Transportation agencies also recognize the issues with overheight vehicles' collisions with bridges, but few stakeholders have definitive countermeasures. Bridges are becoming more vulnerable to collisions from overheight vehicles. The exact response under lateral impact force is difficult to predict. In this paper, nonlinear impact analysis shows that the degree of deformation recorded through the modeling of the unprotected vehicle-girder model provides realistic results compared to the observation from the US-61 bridge overheight vehicle impact. The predicted displacements are 0.229 m, 0.161 m, and 0.271 m in the girder bottom flange (lateral), bottom flange (vertical), and web (lateral) deformations, respectively, due to a truck traveling at 112.65 km/h. With such large deformations, the integrity of an impacted bridge becomes jeopardized, which in most cases requires closing the bridge for safety reasons and a need for rehabilitation. We proposed different sacrificial cushion systems to dissipate the energy of an overheight vehicle impact. The goal was to design and tune a suitable energy absorbing system that can protect the bridge and possibly reduce stresses in the overheight vehicle, minimizing the consequences of an impact. A material representing a Sorbothane high impact rubber was chosen and modeled in ANSYS. Out of three sacrificial schemes, a sandwich system is the best in protecting both the bridge and the overheight vehicle. The mitigation system reduced the lateral deflection in the bottom flange by 89%. The system decreased the stresses in the bridge girder and the top portion of the vehicle by 82% and 25%, respectively. The results reveal the capability of the proposed sacrificial system as an effective mitigation system.
Because of the increasing span of arch bridges, ultimate capacity analysis recently becomes more focused both on design and construction. This paper investigates the static and ultimate behavior of a long-span steel arch bridge up to failure and evaluates the overall safety of the bridge. The example bridge is a long-span steel arch bridge with a 550 m-long central span under construction in Shanghai, China. This will be the longest central span of any arch bridge in the world. Ultimate behavior of the example bridge is investigated using three methods. Comparisons of the accuracy and reliability of the three methods are given. The effects of material nonlinearity of individual bridge element and distribution pattern of live load and initial lateral deflection of main arch ribs as well as yield stresses of material and changes of temperature on the ultimate load-carrying capacity of the bridge have been studied. The results show that the distribution pattern of live load and yield stresses of material have important effects on bridge behavior. The critical load analyses based on the linear buckling method and geometrically nonlinear buckling method considerably overestimate the load-carrying capacity of the bridge. The ultimate load-carrying capacity analysis and overall safety evaluation of a long-span steel arch bridge should be based on the geometrically and materially nonlinear buckling method. Finally, the in-plane failure mechanism of long-span steel arch bridges is explained by tracing the spread of plastic zones.
Park, Seong Tae;Park, Jun Young;Lee, Jae Hoon;Kim, Hyung Bae
International Journal of Highway Engineering
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v.15
no.1
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pp.23-36
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2013
PURPOSES: The problem under this circumstance is that the erosion not only drops strength of the steel dowel bar but also comes with volume expansion of the steel dowel bar which can reduce load transferring efficiency of the steel dowel bar. To avoid this erosion problem, alternative dowers bars are developed. METHODS: In this study, the bearing stresses between the FRP tube dowel bar and concrete slab are calculated and compared with its allowable bearing stress to check its structural stability in the concrete pavement. These comparisons are conducted with several cross-sections of FRP tube dowel bars. Comprehensive laboratory tests including the shear load-deflection test on a full-scale specimen and the full-scale accelerated joint concrete pavement test are conducted and the results were compared with those from the steel dowel bar. RESULTS: In all cross-sections of FRP tube dowel bars, computed bearing stresses between the FRP tube dowel bar and concrete slab are less than their allowable stress levels. The pultrusion FRP-tube dowel bar show better performance on direct shear tests on full-scale specimen and static compression tests at full-scale concrete pavement joints than prepreg and filament-winding FRP-tube dowel bar. CONCLUSIONS: The FRP tube dowel bars as alternative dowel bar are invulnerable to erosion that may be caused by moisture from masonry joint or bottom of the pavement system. Also, the pultrusion FRP-tube dowel bar performed very well on the laboratory evaluation.
Lee Seung-Bea;Jang Su-Youn;Kim Sang-Sik;Lee Jin-Seop
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.17
no.6
s.90
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pp.1033-1042
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2005
Until recently tensile stresses in concrete have not been considered, since it does not affect the ultimate strength of reinforced concrete flexural members significantly However, to verify the load-deflection relationship, the effect of tensile stresses between reinforcing bars and concrete, so-called tension stiffening effect must be taken into account. Main parameters of the tension stiffening behavior are known as concrete strength, and bond between concrete and reinforcing bars. In this study total twenty specimens subjected to bending were tested with different concrete strength, coverage, and de-bonding length of longitudinal bars. The effects of these parameters on the flexural rigidity, crack initiation and propagation were carefully checked and analyzed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.2
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pp.189-196
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2009
This paper presents the subparametric finite element model formulated by partial-linear layerwise theory for the analysis of laminate composites. The proposed model is based on refined approximations of two dimensional plane for orthotropic thick laminate plate as well as thin case. Three dimensional problem can be reduced to two dimensional case by assuming piecewise linear variation of in-plane displacement and a constant value of out-of-plane displacement across the thickness. The integrals of Legendre polynomials are chosen to define displacement fields and Gauss-Lobatto numerical integration is implemented in order to directly obtain maximum values occurred at the nodal points of each layer without other extrapolation techniques. The validity and characteristics of the proposed model have been tested by using orthotropic multilayered plate problem as compared to the values available in the published references. In this study, the convergence test has been carried out to determine the optimal layer model in terms of central deflection and stresses. Also, the distribution of displacements and stresses across the thickness has been investigated as the number of layer is increased.
A condition evaluation procedure for the pavement foundations using multi-load level Falling Weight Deflectometer(FWD) deflections is presented in this paper. A dynamic finite element program incorporating a stress-dependent material model, was used to generate the synthetic deflection database. Based on this synthetic database, the relationships between surface deflections and critical responses, such as stresses and strains in base and subgrade layers, have been established. FWD deflection data, Dynamic Cone Penetrometer(UP) data, and repeated load resilient modulus testing results used in developing this procedure were collected from the Long Term Pavement Performance (LTPP) and North Carolina Department of Transportation (NCDOT) database. Research effort focused on investigation of the effect of the FWD load level on the condition evaluation procedures. The results indicate that the proposed procedure can estimate the pavement foundation conditions. It is also found that structurally adjusted Base Damage Index (BDI) and Base Curvature Index (BCI) are good indicators for the prediction of stiffness characteristics of aggregate base and subgrade respectively. A FWD test with a load of 66.7 kN or less does not improve the accuracy of this procedure. Results from the study for the nonlinear behavior of a pavement foundations indicate that the deflection ratio obtained from multi-load level deflections can predict the type and quality of the pavement foundation materials.
A rational three-dimensional nonlinear finite element model is described and implemented for evaluating the behavior of high strength concrete slabs under transverse load. The concrete was idealized by using twenty-nodded isoparametric brick elements with embedded reinforcements. The concrete material modeling allows for normal (NSC) and high strength concrete (HSC), which was calibrated based on experimental data. The behavior of concrete in compression is simulated by an elastoplastic work-hardening model, and in tension a suitable post-cracking model based on tension stiffening and shear retention models are employed. The nonlinear equations have been solved using the incremental iterative technique based on the modified Newton-Raphson method. The FE formulation and material modeling is implemented into a finite element code in order to carry out the numerical study and to predict the behavior up to ultimate conditions of various slabs under transverse loads. The validity of the theoretical formulations and the program used was verified through comparison with available experimental data, and the agreement has proven to be very good. A parametric study has been also carried out to investigate the influence of different material and geometric properties on the behavior of HSC slabs. Influencing factors, such as concrete strength, steel ratio, aspect ratio, and support conditions on the load-deflection characteristics, concrete and steel stresses and strains were investigated.
Laoufi, Imene;Ameur, Mohammed;Zidi, Mohamed;Bedia, El Abbes Adda;Bousahla, Abdelmoumen Anis
Steel and Composite Structures
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v.20
no.4
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pp.889-911
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2016
Using the hyperbolic shear deformation plate model and including plate-foundation interaction (Winkler and Pasternak model), an analytical method in order to determine the deflection and stress distributions in simply supported rectangular functionally graded plates (FGP) subjected to a sinusoidal load, a temperature and moisture fields. The present theory exactly satisfies stress boundary conditions on the top and the bottom of the plate. No transversal shear correction factors are needed because a correct representation of the transversal shearing strain is given. Materials properties of the plate (elastic, thermal and moisture expansion coefficients) are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power-law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. Numerical examples are presented and discussed for verifying the accuracy of the present theory in predicting the bending response of FGM plates under sinusoidal load and a temperature field as well as moisture concentration. The effects of material properties, temperature, moisture, plate aspect ratio, side-to-thickness ratio, ratio of elastic coefficients (ceramic-metal) and three distributions for both temperature and moisture on deflections and stresses are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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