An improved method for evaluating effective buckling length of semi-rigid frame with inelastic behavior is newly proposed. Also, generalized exact tangential stiffness matrix with rotationally semi-rigid connections is adopted in previous studies. Therefore, the system buckling load of structure with inelastic behaviors can be exactly obtained by only one element per one straight member for inelastic problems. And the linearized elastic stiffness matrix and the geometric stiffness matrix of semi-rigid frame are utilized by taking into account 4th terms of taylor series from the exact tangent stiffness matrix. On the other hands, two inelastic analysis programs(M1, M2) are newly formulated. Where, M1 based on exact tangent stiffness matrix is programmed by iterative determinant search method and M2 is using linear algorithm with elastic and geometric matrices. Finally, in order to verify this present theory, various numerical examples are introduced and the effective buckling length of semi-rigid frames with inelastic materials are investigated.
Min, Byoung Cheol;Min, Dong Ju;Jung, Myung Rag;Kim, Moon Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.1A
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pp.9-18
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2011
Generally the connection of structural members is assumed as hinge, rigid and semi-rigid connections. The exact tangent stiffness matrix of a semi-rigid frame element is newly derived using the stability functions considering shear deformations. Also, linearized elastic- and geometric-stiffness matrices of shear deformable semi-rigid frame are newly proposed. For the exact stiffness matrix, an accurate displacement field is introduced by equilibrium equation for beam-column under the bending and the axial forces. Also, stability functions considering sway deformation and force-displacement relations with elastic rotational spring on ends are defined. In order to illustrate the accuracy of this study, various numerical examples are presented and compared with other researcher's results. Lastly, shear deformation and semi-rigid effects on buckling behaviors of structure are parametrically investigated.
Generally the connection of members is defined as hinge or rigid. But, real joints on structure have to be considered semi-rigid connections because this permits relative rotation for members on joints. The purpose of this study is to derive a generalized tangential stiffness matrix of frames with semi-rigid connections and to develop a buckling analysis program. For the exact stiffness matrix, an accurate displacement field is introduced using an equilibrium equation for beam-columns under the bending and axial forces. Also, stability functions that consider sway deformation and force-displacement relations with rotational spring on ends were defined. In order to illustrate the accuracy of this study and the characteristics of semi-rigid for system buckling load, samples of angle-, portal- and 3-story frames with semi-rigid connections are presented, where the proposed approach is found to be in excellent agreement with other research results. Meanwhile, the application of codes such as Eurocode 3 and LRFD led to significant inaccuracies.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.2
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pp.409-422
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2013
For stability design and P-${\Delta}$ analysis of steel frames with semi-rigid connections, the explicit form of the exact tangential stiffness matrix of a generalized semi-rigid frame element having rotational and translational connections is firstly derived using the stability functions. And its elastic and geometric stiffness matrix is consistently obtained by Taylor series expansion. Next depending on connection types of semi-rigidity, the corresponding tangential stiffness matrices are degenerated based on penalty method and static condensation technique. And then numerical procedures for determination of effective buckling lengths of generalized semi-rigid frames members and P-${\Delta}$ and shortly addressed. Finally three numerical examples are presented to demonstrate the validity and accuracy of the proposed method. Particularly the minimum braced frames and coupled buckling modes of the corresponding frames are investigated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.2
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pp.159-168
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2005
An improved stability design method for beam-columns of plane frames is proposed based on system buckling analysis and second-order elastic analysis. For this, the tangent stiffness matrix of beam-column elements is first derived using stability functions and a procedure for evaluating effective buckling lengths is reviewed using elastic system buckling analysis. And then the second-order analysis procedure is presented considering $P-\Delta$ effects and is compared with the closed-form solution through numerical examples. Design examples showing the validity of the proposed method we presented and their numerical results are compared with those obtained from the conventional stability design methods. Finally some useful conclusions are drawn.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.2
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pp.169-179
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2005
An improved method for evaluating effective buckling lengths of beam-column members in plane frames is newly proposed based on system inelastic buckling analysis. To this end, the tangent stiffness matrix of be am-column elements is first calculated using stability functions and then the inelastic buckling analysis method is presented. The scheme for determining effective length of individual members is also addressed. Design examples and numerical results ?uc presented to show the validity of the proposed method.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.2
s.72
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pp.171-185
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2006
A sophisticated reliability analysis method is proposed to evaluate the reliability of real nonlinear complicated dynamic structural systems excited by short duration dynamic loadings like earthquake motions by intelligently integrating the response surface method, the finite element method, the first-order reliability method, and the iterative linear interpolation scheme. The method explicitly considers all major sources of nonlinearity and uncertainty in the load and resistance-related random variables. The unique feature of the technique is that the seismic loading is applied in the time domain, providing an alternative to the classical random vibration approach. The four-parameter Richard model is used to represent the flexibility of connections of real steel frames. Uncertainties in the Richard parameters are also incorporated in the algorithm. The laterally flexible steel frame is then reinforced with reinforced concrete shear walls. The stiffness degradation of shear walls after cracking is also considered. The applicability of the method to estimate the reliability of real structures is demonstrated by considering three examples; a laterally flexible steel frame with fully restrained connections, the same steel frame with partially restrained connections with different rigidities, and a steel frame reinforced with concrete shear walls.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.10a
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pp.306-313
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1998
Contrary to reinforced concrete frames, the beams or girders found in actual steel frames are neither hinged nor fixed at their ends. Instead, they are usually restrained by the columns to which they are attached. Here in this paper, common finite element program for plane frame stress analysis is improved by including the effect of partial fixities of the girder ends. To include the effect of partial fixities of the girder ends, Kim's modified slope-deflection equation is adopted. The stress analysis results obtained by this proposed method are then compared with Kim's example. Finally, method of choosing the most economic girder section for a multi-story frame is suggested through the examples.
The generalized tangential stiffness matrix of semi-rigid frame element with shear deformations based on Haringx's shear theory is newly derived and compared with the previous study based on Engesser's shear theory. Also, linearized elastic and geometric stiffness matrices are newly presented from the exact tangential stiffness matrix. In oder to obtain the inelastic system buckling load of shear flexible semi-rigid frame structure, the Ef method by tangential modulus theory is adopted and the FE analysis programs are developed. Finally, the shear and semi-rigid effects of system bucking are investigated by two numerical examples.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.3
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pp.487-493
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1994
Moment distribution procedure in the elastic analysis of rigid frames can be easily expressed with the adjusting moment equations(or relaxation equations) by using the concept of total adjusting moment at each joint after infinite cycles of moment distribution. Adjusting moment equations are a set of simultaneous equations from which the total adjusting moments at each joints after infinite cycles of physical relaxation can be determined. The form of simultaneous equations is a kind of relaxation equations and can be easily solved by the hand calculators. A unique and simplified procedure for the influence line analysis of a continuous beam is presented as an application of the method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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