This paper presents a thorough investigation into the structural performance of cold-formed steel column bases using double lipped C sections with bolted moment connections. A total of four column base tests with different connection configurations were carried out, and it was found that section failure under combined bending and shear was always critical. Moreover, the proposed column bases were demonstrated to be structurally efficient attaining moment resistances close to those of the connected sections. In order to examine the structural behaviour of the column base connections, a finite element model was established using shell and spring elements to model the sections and the bolted fastenings respectively. Both material and geometrical non-linearities were incorporated, and comparison between the test and the numerical results was presented in details. The design rules originally developed for bolted moment connections between lapped Z sections were adopted and re-formulated for the design of column base connections after careful calibration against the test data. Comparison on co-existing moments and shear forces at the critical cross-sections of the column bases was fully presented. It was shown that the proposed design and analysis method was structurally adequate to predict the failure loads under combined bending and shear for column bases with similar connection configurations.
Tests were conducted on two partially pre-stressed concrete solid beams subjected to combined loading of bending, shear and torsion. The beams were designed using the Direct Design Method which is based on the Lower Bound Theorem of the Theory of Plasticity. Both beams were of $300{\times}300mm$ cross-section and 3.8 m length. The two main variables studied were the ratio of the maximum shear stress due to the twisting moment, to the shear stress arising from the shear force, which was varied between 0.69 and 3.04, and the ratio of the maximum twisting moment to the maximum bending moment which was varied between 0.26 and 1.19. The required reinforcement from the Direct Design Method was compared with requirements from the ACI and the BSI codes. It was found that, in the case of bending dominance, the required longitudinal reinforcements from all methods were close to each other while the BSI required much larger transverse reinforcement. In the case of torsion dominance, the BSI method required much larger longitudinal and transverse reinforcement than the both the ACI and the DDM methods. The difference in the transverse reinforcement is more pronounce. Experimental investigation showed good agreement between design and experimental failure loads of the beams designed using the Direct Design Method. Both beams failed within an acceptable range of the design loads and underwent ductile behaviour up to failure. The results indicate that the Direct Design Method can be successfully used to design partially prestressed concrete solid beams which cater for the combined effect of bending, shear and torsion loads.
The cross sections of hollow cylindrical tubes ovalise under a pure bending condition, and this reduces their flexural stiffness as their curvatures increase. It is important to accurately evaluate this phenomenon, known as the 'Brazier effect', to understand the bending behaviour of the systems considered. However, if the tubes are supported by an elastic medium or foundation, the ovalisation displacements of their cross sections may decrease. From this point of view, the purpose of this research is to analytically investigate the bending characteristics of single- and double-walled elastic tubes contacted by an elastic material by considering the Brazier effect. The Brazier moment, which is the maximum moment-carrying capacity of the ovalised cross section, can be calculated by introducing the strain energy per unit length of the tube in terms of the degree of ovalisation for the tube and the curvature. The total strain energy of the double-walled system is the sum of the strain energies of the outer and inner tubes and that of the compliant core. Results are comparatively presented to show the variation in the degree of ovalisation and the Brazier moment for single- and double-walled tubes.
Considering the increasing use of tubular profiles in civil construction, this paper highlights the study on the behavior of welded connections between square hollow section column and I-beam, with emphasis on the assessment of the joint stiffness. Firstly, a theoretical analysis of the welded joints has been done focusing on prescriptions of the technical literature for the types of geometries mentioned. Then, a numerical analysis of the proposed joints were performed by the finite element method (FEM) with the software ANSYS 16.0. In this study, two models were evaluated for different parameters, such as the thickness of the cross section of the column and the sizes of cross section of the beams. The first model describes a connection in which one beam is connected to the column in a unique bending plane, while the second model describes a connection of two beams to the column in two bending planes. From the numerical results, the bending moment-rotation ($M-{\varphi}$) curve was plotted in order to determine the resistant bending moment and classify each connection according to its rotational capacity. Furthermore, an equation was established with the aim of estimating the rotational stiffness of welded I beam-to-RHS column connections, which can be used during the structure design. The results show that most of the connections are semi-rigid, highlighting the importance of considering the stiffness of the connections in the structure design.
Failure of a pipeline due to local wall thinning is getting more attention in the nuclear power plant industry. Although guidelines such as ANSI/ASME B31G and ASME Code Case N597 are still useful fer assessing the integrity of a wall thinned pipeline, there are some limitations in these guidelines. For instance, these guidelines consider only pressure loading and thus neglect bending loading. However, most Pipelines in nuclear power plants are subjected to internal pressure and bending moment due to dead-weight loads and seismic loads. Therefore, an assessment procedure for locally wall thinned pipeline subjected to combined loading is needed. In this paper, three-dimensional finite element(FE) analyses were performed to simulate full-scale pipe tests conducted for various shapes of wall thinned area under internal pressure and bending moment. Maximum moments based on true ultimate stress(${\alpha}$$\sub$u,t/) were obtained from FE results to predict the failure of the pipe. These results were compared with test results, which showed good agreement. Additional finite element analyses were performed to investigate the effect of key parameters, such as wall thinned depth, wall thinned angle and wall thinned length, on maximum moment. Also, the effect of internal pressure on maximum moment was investigated. Change of internal pressure did not show significant effect on the maximum moment.
The open section members have been used as the members of vehicle such as automotives, airplanes and trains. When vehicles are crashed, these members have absorption of the energy and it is necessary for retainment of the survival space, and as the result, the prediction for the displacement of members in this case of the crash of vehicles is very important. The displacements of members in this case of the crash of automotives show combined aspect of both axial collapse and bending collapse. In the rollover accident when bending collapse happen, the collapse of each members is progressed by the plastic hinge which made from bending moment, and therefore the research for the behavior of members under bending moment after collapse is necessary to determine the internal energy which the members can absorb and the deformed shapes of the members on the step of design. In this paper, the characteristics of bending collapse at the members of the open cross-section were studied with experiment and numerical analysis. We made a comparative studied of the result of the experiment, and changed the axis according to the parallel-axis theorem.
The steel-concrete double composite girder in the negative flexural region combines an additional concrete slab to the steel bottom flange to prevent the local steel buckling, however, the additional concrete slab may lower down the neutral axis of the composite section, which is a sensitive factor to the tensile stress restraint on the concrete deck. This is actually of great importance to the structural rationality and durability, but has not been investigated in detail yet. In this case, a series of 5.5 m-long composite girder specimens were tested by negative bending, among which the bottom slab configuration and the longitudinal reinforcement ratio in the concrete deck were the parameters. Furthermore, an analytical study concerning about the influence of bottom concrete slab thickness on the cracking and sectional bending-carrying capacity were carried out. The test results showed that the additional concrete at the bottom improved the composite sectional bending stiffness and bending-carrying capacity, whereas its effect on the concrete crack distribution was not obvious. According to the analytical study, the additional concrete slab at the bottom with an equivalent thickness to the concrete deck slab may provide the best contributions to the improvements of crack initiation bending moment and the sectional bending-carrying capacity. This can be applied for the design practice.
A branched crack in a semi-infinite plate under tension and bending moment is considered. Intensity factors of the stress and moment for the branched crack are evaluated. The stress intensity factors are obtained by using the finite element method and the J-based mutual integral. The moment intensity factors are calculated by extrapolating the values of the moment near the crack tip. Approximate expressions are also obtained as functions of the branched crack length and branching angle.
Chucheepsakul, Somchai;Thepphitak, Geeraphong;Wang, Chien Ming
Structural Engineering and Mechanics
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제5권5호
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pp.529-539
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1997
This paper deals with the bending problem of a variable-are-length elastica under moment gradient. The variable are-length arises from the fact that one end of the elastica is hinged while the other end portion is allowed to slide on a frictionless support that is fixed at a given horizontal distance from the hinged end. Based on the elastica theory, exact closed-form solution in the form of elliptic integrals are derived. The bending results show that there exists a maximum or a critical moment for given moment gradient parameters; whereby if the applied moment is less than this critical value, two equilibrium configurations are possible. One of them is stable while the other is unstable because a small disturbance will lead to beam motion.
Smart flanges are used for pipeline and riser repair in subsea. In a typical case in the gas export pipeline project, the end cap bolts of a 4inch smart flange were broken during operation, and in turn leakage occurred. This work presents the detail of three dimensional finite element analysis of the smart flange to support the observed end cap bolts failure. From finite element analysis it turns out that in the presence of external bending moment, an uneven contact distribution is present between seal and end cap, which in turn changes the uniform load distribution on bolts and threaten the integrity of bolts. On the other hand, 3D finite element analysis of interaction between pipeline and seabed is presented by means of Abaqus to explore the distribution of bending moment along the pipeline route. It is found that lateral buckling occurs in the pipeline which introduces large bending moment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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