Salem, Adel Helmy;Sayed-Ahmed, Ezzeldin Yazeed;El-Serwi, Ahmed Abdelsalam;Korashy, Mohamed Mostafa
Steel and Composite Structures
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v.4
no.5
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pp.367-384
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2004
A numerical model based on the finite element technique is adopted to investigate the behavior and strength of thin-walled I-section beam-columns. The model considers both the material and geometric nonlinearities. The model results were first verified against some of the currently available experimental results. A parametric study was then performed using the numerical model and interaction diagrams for the investigated beam-columns have been presented. The effects of the web depth-to-thickness ratio, flange outstand-to-thickness ratio and bending moment-to-normal force ratio on the ultimate strength of thin-walled I-section beam-columns were scrutinized. The interaction equations adopted for beam columns design by the NAS (North American Specifications for the design of cold formed steel structural members) have been critically reviewed. An equation for the buckling coefficient which considers the interaction between local buckling of the flange and the web of a thin-walled I-section beam-column has been proposed.
In this study, on-site testing was carried out to investigate the vibration performance of a cold-formed thin-walled steel floor system. Ambient vibration, walking excitation (single and double persons), and impulsive excitation (heel-drop and jumping) were considered to capture the primary vibration parameters (natural frequencies, damping ratios, and mode shapes) and vertical acceleration response. Meanwhile, to discuss the influence of cement fiberboard on structural vibration, the primary vibration parameters were compared between the systems with and without the installation of cement fiberboard. Based on the experimental analysis, the cold-formed thin-walled steel floor possesses high frequency (> 10 Hz) and damping (> 2%); the installed cement fiberboard mainly increases the mass of floor system without effectively increasing the floor stiffness and may reduce the effects of primary vibration parameters on acceleration response; and the human-structure interaction should be considered when analyzing the vibration serviceability. The comparison of the experimental results with those in the AISC Design Guide indicates that the cold-formed thin-walled steel floor exhibits acceptable vibration serviceability. A crest factor 𝛽rp (ratio of peak to root-mean-square accelerations) is proposed to determine the root-mean-square acceleration for convenience.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.04b
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pp.43-50
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2000
In the first-order shear deformation laminated beam theory (FSDT), the Kirchhoff hypothesis is relaxed such that the transverse normals do not remain perpendicular to the midsurface after deformation. Bending behavior of laminated composite thin-walled beams with singly- and doubly-symmetric open sections under uniformly distributed and concentrated loads is analyzed by the Timoshenko-type thin-walled beam theory. A closed-form expression for the shear correction factor of I-shaped composite laminated section is obtained. Numerical examples are presented to compare present analytical solutions by FSDT with the finite element solutions obtained by using three dimensional model. The effects of lamination of scheme and length-to-height ratio on the shear deformation of laminated composite beams with various boundary conditions are studied.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.05a
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pp.303-310
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2002
The bending vibration and thermal flutter instability of spacecraft booms modeled as circular thin-walled beams of closed cross-section and subjected to thermal radiation loading is investigated in this paper. Thermally induced vibration response characteristics of a composite thin walled beam exhibiting the circumferantially uniform system(CUS) configuration are exploited in connection with the structural flapwise bending-lagwise bending coupling resulting from directional properties of fiber reinforced composite materials and from ply stacking sequence. The numerical simulations display deflection time-history as a function of the ply-angle of fibers of the composite materials, damping factor, incident angle of solar heat flux, as well as the boundary of the thermal flutter instability domain. The adaptive control are provided by a system of piezoelectric devices whose sensing and actuating functions are combined and that an bonded or embedded into the host structure.
Subsequently, Part I [1], which was about the single-cell model, a composite thin-walled beam with a multi-cell of chord-wise asymmetric cross-section, was selected in this study. Moreover, the theoretical dynamic characteristics of the model were analyzed. For this analysis, mathematical modeling was performed by considering the warping restraint effects, transverse shear effects, taper ratio and cross-section ratio. Similar to part I, the mass, stiffness coefficients and Eigen frequencies of the multi-cell section considered were investigated. In particular, the comparison between the multi-cell and single-cell sections and the effects of the cross-section ratio and taper ratio of the model on the Eigen frequencies were analyzed. However, the results compared when the asymmetry of the section was considered and warping function were not corrected.
This article describes a simple and cost effective fabrication procedure by using hand lay-up technique that is employed for the manufacturing of thin-walled axi-symmetric composite shell structures with carbon, glass and hybrid woven fabric composite materials. The hand lay-up technique is very commonly used in aerospace and marine industries for making the complicated shell structures. A generic fabrication procedure is presented in this paper aimed at manufacture of plain Carbon Fabric Reinforced Plastic (CFRP) and Glass Fabric Reinforced Plastic (GFRP) shells using hand lay-up process. This paper delivers a technical breakthrough in fabrication of composite shell structures without any joints and wrinkling. The manufacture of stiffened CFRP shells, laminated CFRP shells and hybrid (carbon/glass/epoxy) composite shells which are valued by the aerospace industry for their high strength-to-weight ratio under axial loading have also been addressed in this paper. A fabrication process document which describes the major processing steps of the composite shell manufacturing process has been presented in this paper. A study of microstructure of the glass fabric/epoxy composite, carbon fabric/epoxy composite and hybrid carbon/glass/fabric epoxy composites using Scanning Electron Microscope (SEM) has been also carried out in this paper.
In this paper, a shear-flexible finite element model is developed for the buckling analysis of axially loaded, thin-walled composite I-beams. Based on an orthogonal Cartesian coordinate system, the displacement fields are defined using the first-order shear-deformable beam theory. The derived element takes into account flexural shear deformation and torsional warping deformation. Three different types of beam elements, namely, the two-noded, three-noded, and four-noded beam elements, were developed to solve the governing equations. An inverse iteration with shift eigenvalue solution was used to solve the resulting linearized buckling problem. A parametric study was conducted to show the importance of shear flexibility and fiber orientation on the buckling behavior of thin-walled composite beams. A good agreement was obtained among the proposed shear-flexible model, other results available in literature, and the finite element solution.
This paper presents the experimental and numerical study on the distribution of transverse and longitudinal residual stresses in cold-formed thick-walled structural steel rectangular hollow sections manufactured by indirect technique. Hole-drilling method is employed to measure the magnitude of the transverse and longitudinal surface residual stress distribution, and the effects of the residual stresses are evaluated qualitatively by sectioning method. It is shown that compared to normal cold-formed thin-walled structural hollow sections (SHS), the cold-formed thick-walled SHS has similar level of residual stress in the flat area but higher residual stresses in the corner and welding areas. Both the transverse and longitudinal residual stresses tend to open the section. In order to predict the surface residual stresses in the corners of the cold-formed thick-walled SHS, an analytical model is developed. 2D finite element simulation of the cold bending process is conducted to validate the analytical approach. It is shown that in analyzing bending for thick-walled sections, shifting of neutral axis must be considered, since it would lead to nonlinear and non-symmetrical distribution of stresses through the thickness. This phenomenon leads to the fact that cold-formed thick-walled SHSs has different distribution and magnitude of the residual stresses from the cold-formed thin-walled SHSs.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.147-150
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2001
In the present work, a linear static analysis is presented for thin-walled prismatic box-beams made of generally anisotropic materials. A mixed beam theory has been used to model and carry out the analysis. Three different constitutive relations are assessed into the beam formulation. Simple layup cases having symmetric or anti-symmetric configuration have been chosen and tested to clearly show the effects of elastic couplings of the beam. Both 2D and 3D finite element structural analysis using the MSC/NASTRAN has been performed to validate the current analytical results. Results show that appropriate assumptions for the constitutive equations are important and prerequisite for the accurate prediction of beam stiffness constants and also for the beam behavior.
This paper describes experimental and theoretical investigations on the behaviour of thin walled composite (TWC) filled columns under eccentric loading conditions. Details of the experimental investigation including description of the test columns, testing arrangements, failure modes, strain characteristics, load-deformation responses and effects of various geometric and material parameters are presented. The current paper also introduces the use and effect of lightweight Volcanic Pumice Concrete (VPC) in TWC columns. Analytical models for the design of columns under eccentric loading conditions have been developed taking into consideration the effect of confined concrete. The performance of design equations is validated through experimental results. The proposed design models are found to produce better results compared with available design procedures and Code based formulations. A computer program is developed to generate the interaction diagrams based on the proposed design equations that can be used for design purposes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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