Buckling Analysis of Hybrid Composite Columns

Abstract

This study investigates the performance of hybrid composite coating systems to enhance the buckling resistance of reinforced concrete columns through numerical analyses based on the finite element method. Buckling is a critical stability issue, particularly for slender members under seismic loading. In this research, a column model consisting of a C30 concrete core with a diameter of 28.5 mm and a length of 300 mm, reinforced by four S355 steel bars, was considered as the reference. The outer surface was coated with six layers of carbon, Kevlar, and glass fiber/epoxy composites. All models were developed using the ACP module of ANSYS 2024 R2, where fiber orientations were defined as axial (0°) and transverse (90°), and the critical buckling loads were calculated. The results indicate that fiber orientation and material sequence have a decisive influence on buckling strength. In 0°-oriented structures, the load-carrying capacity increased up to 161% compared to the reference, reaching the maximum value of 892.69 kN in the fully carbon-based configuration (CCCCCC). Kevlar- and glass-fiber-based configurations exhibited increases of 41.6% and 0.9%, respectively. Among hybrid sequences, GGAACC (74.4%), AGCAGC (71.2%), and GACGAC (71.8%) provided optimal rigidity–energy absorption balance. Conversely, all 90°-oriented configurations performed below the reference, with the lowest capacity (−19.7%) observed in the Kevlar-based structure. Overall, the results demonstrate that carbon fibers provide the most effective enhancement due to their high elastic modulus, Kevlar fibers contribute ductility and energy absorption, and glass fibers play a balancing role in hybrid structures. Hence, this study presents a recent and original numerical investigation addressing the effect of hybrid fiber configurations on the buckling behavior of reinforced concrete columns.

Keywords

• Composite material
• buckling
• reinforced concrete column
• numerical analysis
• hybrid
• ansys

Hibrit Kompozit Kolonlarda Burkulma Analizi

Öz

Bu çalışma, betonarme kolonların burkulma dayanımını artırmak amacıyla hibrit kompozit kaplama sistemlerinin performansını sonlu elemanlar yöntemiyle incelemektedir. Burkulma, özellikle deprem etkileri altında uzun ve ince elemanlarda kritik bir stabilite problemi oluşturmaktadır. Çalışmada, 28.5 mm çapında ve 300 mm uzunluğunda C30 beton çekirdek ve dört adet S355 çelik donatı içeren kolon modeli referans alınmış, dış yüzeye altı katmanlı karbon, kevlar ve cam fiber/epoksi kaplama uygulanmıştır. Tüm modeller ANSYS 2024 R2 ortamında ACP modülü kullanılarak hazırlanmış; fiber yönelimleri eksenel (0°) ve enine (90°) olarak belirlenmiş ve kritik burkulma yükleri hesaplanmıştır. Sonuçlar, fiber yönelimi ve malzeme diziliminin burkulma dayanımı üzerinde belirleyici olduğunu göstermektedir. 0° yönelimli yapılarda kapasite referansa göre %161’e kadar artmış, en yüksek değer tamamen karbon esaslı (CCCCCC) konfigürasyonda 892.69 kN olarak elde edilmiştir. Kevlar esaslı yapı %41.6, cam fiberli yapı %0.9 artış sağlamıştır. Hibrit dizilimlerden GGAACC (%74.4), AGCAGC (%71.2) ve GACGAC (%71.8) optimum rijitlik ve enerji yutma dengesi sunmuştur. Buna karşılık, 90° yönelimli tüm konfigürasyonlar referansın altında kalmış, en düşük değer Kevlar esaslı yapıda %19.7 düşüşle elde edilmiştir. Sonuç olarak, karbon fiber yüksek elastisite modülü sayesinde en etkin katkıyı sağlamış, kevlar süneklik ve enerji sönümleme özellikleriyle destekleyici rol oynamış, cam fiber ise hibrit yapılarda dengeleyici bir etki göstermiştir. Bu yönüyle çalışma, betonarme kolonlarda hibrit fiber dizilimlerinin burkulma davranışına etkisini sayısal olarak inceleyen güncel ve özgün bir araştırmadır.

Anahtar Kelimeler

• Kompozit malzeme
• burkulma
• betonarme çubuk
• sayısal analiz
• hibrit
• ansys

References

1. [1] Abramovich, H. (2017). Introduction to composite materials. In Stability and vibrations of thin-walled composite structures (pp. 1-47). Woodhead Publishing/Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100410-4.00001-6
2. [2] Phiri, R. (2024). Advances in lightweight composite structures and manufacturing methods. Heliyon, 10, Article e15692. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e39661
3. [3] Al-Masri, R., Rasheed, H. A., & Alali, B. (2025). Buckling Solution of Fixed–Free Anisotropic Laminated Composite Columns Under Axial Loading. Fibers, 13(4), 35. https://doi.org/10.3390/fib13040035
4. [4] Ahmad, S., & Rajput, L. (2020). Buckling analysis of inter-ply hybrid composite plate. Materials Today: Proceedings, 21, 1313–1319. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.01.168
5. [5] Öztemiz, H. M. (2024). Farklı geometriye sahip S şekilli çekirdekli bal peteği sandviç kompozitlerin mekanik davranışlarının araştırılması (Doktora tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı).
6. [6] Çelik, O. (2022). Karbon fiber kompozitlere alternatif olarak doğal fiber takviyeli hibrit kompozit malzemelerin özellikleri (Yüksek lisans tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı).
7. [7] Alkeflawi, D. A. H. H. (2018). Polimerik köpük çekirdekli metal sandviç kirişlerin burkulma ve burkulma sonrası davranışları (Yüksek lisans tezi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı).
8. [8] Özgen, C. (2022). İnce cidarlı kompozit silindirik kabukların statik ve dinamik burkulma analizi üzerine bir çalışma (Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Uçak ve Uzay Mühendisliği Anabilim Dalı).

9. [9] Eryiğit, E. (2006). Tabakalı kompozit çubuklarda yanal yük etkisi ile oluşan burkulma (Yüksek lisans tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Mekanik Bilim Dalı).
10. [10] Namdar, Ö. (2012). Basma yüklemesi altındaki tabakalı kompozit plakaların burkulma, burkulma sonrası ve ileryen kırılma analizleri (Yüksek lisans tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı).
11. [11] Alar Öner, G. (2013). İnce cidarlı, tek ve iki hücreli, tabakalı kompozit tüplerde sonlu elemanlar yöntemi ile burulmalı burkulma analizi. EÜFBED - Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 277–300. https://dergipark.org.tr/tr/pub/erzifbed/issue/6027/80710
12. [12] Öndürücü, A., & Kayıran, H. F. (2018). Hibrit kompozit kirişlerin yanal burkulma davranışlarına soğuk ortamın etkisi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22(Özel Sayı), 156–164. https://dergipark.org.tr/tr/pub/sdufenbed/issue/39695/470049
13. [13] Günyar, A., Öztürk, H., & Sabuncu, M. (2012). Kompozit eğri çubukların doğal frekans ve burkulma yükü analizi. DEÜ Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(42), 33–42. https://dergipark.org.tr/tr/pub/deumffmd/issue/40820/492514
14. [14] Solmaz, M. Y., & Kaman, M. O. (2010). Petek yapılı sandviç yapılarda köpük dolgusunun kritik burkulma yüküne etkisi. e-Journal of New World Sciences Academy Engineering Sciences, 5(1A), 24–34. https://dergipark.org.tr/tr/pub/nwsaeng/issue/19863/212873
15. [15] Noman, A. A., Shohel, S. M., Riyad, S. H., & Sen Gupta, S. (2023). Investigate the mechanical strength of laminated composite carbon fiber with different fiber orientations by numerically using finite element analysis. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.02.132
16. [16] Jaber, M., Yahya, A., Arif, A. F., Jaber, H., & Alkhedher, M. (2024). Burst pressure performance comparison of type V hydrogen tanks: Evaluating various shapes and materials. International Journal of Hydrogen Energy, 81, 906–917. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.315
17. [17] Zhang, Q., Xu, H., Jia, X., Zu, L., Cheng, S., Wang, H., & Chen, M. (2024). Buckling and post-buckling analysis of composite stiffened panels: A ten-year review (2014–2023). Thin-Walled Structures, 205, 112525. https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112525
18. [18] F. Cakir, M.R. Aydin, V. Acar, P. Yildirim, Impact of hybrid and non-hybrid fiber reinforced polymers on mechanical performance of concrete. Constr. Build. Mater. 451, 138806 (2024). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138806
19. [19] Jinwon Cho and Jaehyeung Park 2021 Mater. Res. Express 8 125304 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac406f
20. [20] Aydin, M.R. A Comprehensive Experimental and Numerical Analysis on Free Vibration and Axial Buckling Behavior of Hybrid Composites. Fibers Polym 26, 4069–4086 (2025). https://doi.org/10.1007/s12221-025-01071-3
21. [21] Gopalan, V., Vardhan, M. S., Thakur, V., Krishnamoorthy, A., Pragasam, V., Degalahal, M. R., Velu, P. S., Raja Annamalai, A., & Jen, C.-P. (2023). Studies on Numerical Buckling Analysis of Cellulose Microfibrils Reinforced Polymer Composites. Materials, 16(3), 894. https://doi.org/10.3390/ma16030894
22. [22] Ranjere, M., Rajanna, T. & Arya, B. Influence of Trapezoidal Shapes and Linearly varying Edge Loads on the Buckling Characteristics of Plates with Cutouts. J. Inst. Eng. India Ser. C 102, 1231–1249 (2021). https://doi.org/10.1007/s40032-021-00735-2
23. [23] Risa, A.G., Wolla, D.W. Characterization and Finite Element Analysis of Hybrid Glass–Maize Stalk Fibers–Epoxy Composite for Bone Plate Application. Fibers Polym 26, 2543–2556 (2025). https://doi.org/10.1007/s12221-025-00964-7
24. [24] Dabiryan, H., Mazloomi, Z.S. & Sharif-Deljuee, O. Effect of Fiber Path on the Buckling Behavior of Delaminated Composites Reinforced with Woven Fabrics; Analytical and Numerical Study. Fibers Polym 25, 1047–1059 (2024). https://doi.org/10.1007/s12221-023-00435-x
25. [25] Di Cara, G., D’Ottavio, M., & Polit, O. (2024). Variable kinematics finite plate elements for the buckling analysis of sandwich composite panels. Composite Structures, 330, 117856. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117856
26. [26] European Committee for Standardization (CEN). (2005). EN 1993-1-1: Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings. Brussels: CEN. https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1993.1.1.2005.pdf
27. [27] Türk Standartları Enstitüsü. (2000). TS500 – Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları. Ankara, Türkiye. https://staff.emu.edu.tr/cemalgenes/Documents/courses/INSA471_2019_20_Bahar/TS500.pdf
28. [28] Türk Standartları Enstitüsü (TSE). (2019). TS EN 10025-2: Sıcak haddelenmiş yapı çelik ürünleri – Bölüm 2: Teknik teslim şartları için tablo özellikleri (Standard No. TS EN 10025-2). Ankara, Türkiye: Türk Standartları Enstitüsü.
29. [29] Türk Standartları Enstitüsü (TSE). (2019). TS EN 10025-3: Sıcak haddelenmiş yapı çelik ürünleri – Bölüm 3: Normalize/normalize haddeleme sonrası su verme ile işlenmiş yüksek dayanımlı çeliklerin teknik teslim şartları (Standard No. TS EN 10025-3). Ankara, Türkiye: Türk Standartları Enstitüsü.
30. [30] Beer, F. P., Johnston, E. R., DeWolf, J. T., & Mazurek, D. F. (2015). Mechanics of materials (7th ed.).
31. [31] Kaw, A. K. (2005). Mechanics of composite materials (2nd ed.)