The inelastic lateral-distortional buckling of doubly-symmetric hot-rolled I-section beam-columns subjected to a concentric axial force and uniform bending with elastic restraint which produce single curvature is investigated in this paper. The numerical model adopted in this paper is an energy-based method which leads to the incremental and iterative solution of a fourth-order eigenproblem, with very rapid solutions being obtained. The elastic restraint considered in this paper is full restraint against translation, but torsional restraint is permitted at the tension flange. Hitherto, a numerical method to analyse the elastic and inelastic lateral-distortional buckling of restrained or unrestrained beam-columns is unavailable. The prediction of the inelastic lateral-distortional buckling load obtained in this study is compared with the inelastic lateral-distortional buckling of restrained beams and the inelastic lateral-torsional buckling solution, by suppressing the out-of-plane web distortion, is published elsewhere and they agree reasonable well. The method is then extended to the lateral-distortional buckling of continuously restrained doubly symmetric I-sections to illustrate the effect of web distortion.
Distortional and local buckling are important factors that influences the bearing capacity of steel-concrete composite box-beam. Through theoretical analysis of distortional buckling forms, a stability analysis calculation model of composite box beam considering rotation of steel beam top flange is presented. The critical bending moment calculation formula of distortional buckling is established. In addition, mechanical behaviors of a steel beam web in the negative moment zone subjected separately to bending stress, shear stress and combined stress are investigated. Elastic buckling factors of steel web under different stress conditions are calculated. On the basis of local buckling analysis results, a limiting value for height-to thickness ratio of a steel web in the elastic stage is proposed. Numerical examples are presented to verify the proposed models.
This article presents the behaviour and design of cold-formed steel (CFS) web-stiffened lipped channel beams that primarily fail owing to the buckling interaction of distortional and global buckling modes. The incorporation of an intermediate stiffener in the web of the lipped channel improved the buckling performance leads to distortional buckling at intermediate length beams. The prediction of the strength of members that fail in individual buckling modes can be easily determined using the current DSM equations. However, it is difficult to estimate the strength of members undergoing buckling interactions. Special attention is required to predict the strength of the members undergoing strong buckling interactions. In the present study, the geometric dimensions of the web stiffened lipped channel beam sections were chosen such that they have almost equal distortional and global buckling stresses to have strong interactions. A validated numerical model was used to perform a parametric study and obtain design strength data for CFS web-stiffened lipped channel beams. Based on the obtained numerical data, an assessment of the current DSM equations and the equations proposed in the literature (for lipped channel CFS sections) is performed. Suitable modifications were also proposed in this work, which resulted in a higher level of design accuracy to predict the flexural strength of CFS web stiffened lipped channel beams undergoing distortional and global mode interaction. Furthermore, reliability analysis was performed to confirm the reliability of the proposed modification.
Cantilevers are unique statically determinate structural elements with respect to their mode of overall buckling, in that the tension flange is the critical flange under gravity loading, and is the flange that deflects greatest during overall buckling. While this phenomenon does not complicate the calculation of the lateral buckling load, either theoretically or in structural design codes, it has been shown in previous research that the influence of distortion in the elastic buckling of cantilevers is not the same as that experienced in the elastic buckling of simply supported beams. This paper extends the study of the distortional buckling of cantilevers into the hitherto unconsidered inelastic range of structural response. A finite element method for studying the inelastic bifurcative instability of members whose cross-sections may distort during buckling is described, and the efficacy of the method is demonstrated. It is then used to study the inelastic distortional buckling of hot-rolled I-section cantilevers with two common patterns of residual stresses, and which may be restrained elastically from buckling by other structural elements.
Cold-formed lipped channel columns (CFLCCs) have been widely used in light gauge steel constructions. The distortional buckling is one of the important buckling modes for CFLCCs and the distortional buckling critical load depends significantly on the rotational restrain stiffness generated by the web to the lipped flange. First, a simplified explicit expression for the rotational restraint stiffness of the lipped flange has been derived. Using the expression, the characteristics of the rotational restraint stiffness of the lipped flange have been investigated. The results show that there is a linear coupling relationship between the applied forces and the rotational restraint stiffness of the lipped flange. Based on the explicit expression of the rotational restraint stiffness of the lipped flange, a simplified analytical formula has been derived which can determine the elastic distortional buckling critical stress of the CFLCCs subjected to axial compression. The simplified analytical formula developed in this study has been shown to be accurate through the comparisons with results from the distortional buckling analyses using the ANSYS finite element software. The developed analytical formula is easy to apply, and can be used directly in practical design and incorporated into future design codes and guidelines.
This paper describes an experimental research on the structural behavior and the ultimate strength of longitudinally stiffened plates subjected to local, distortional, or mixed-mode buckling under compression. The stiffened plate undergoes local, distortional, or interactive local-distortional buckling according to the flexural rigidity of the plate's longitudinal stiffeners and the width-thickness ratios of the sub-panels of the stiffened plate. A significant post-buckling strength in the local and distortional modes affects the ultimate strength of the longitudinally stiffened plate. Compression tests were conducted on stiffened plates that were fabricated from 4mm-thick SM400 steel plates with a nominal yield stress of 235MPa. A simple strength formula for the Direct Strength Method based on the test results was proposed. This paper proves that the Direct Strength Method can properly predict the ultimate strength of stiffened plates when the local buckling and distortional buckling occur simultaneously or nearly simultaneously.
The predominant type of buckling that I-steel concrete composite beams experience in the negative moment area is distortional buckling. The key factors that affect distortional buckling are the torsional and lateral restraints by the bottom flange. This study thoroughly investigates the equivalent lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange of an I-steel concrete composite beam under negative moments. The results show a coupling effect between the applied forces and the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. A formula is proposed to calculate the critical buckling stress of the I-steel concrete composite beams under negative moments by considering the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange. The proposed method is shown to better predict the critical bending moment of the I-steel composite beams. This article introduces an improved method to calculate the elastic foundation beams, which takes into account the lateral and torsional restraint stiffnesses of the bottom flange and considers the coupling effect between them. The results show a close match in results from the calculation method proposed in this paper and the ANSYS finite element method, which validates the proposed calculation method. The proposed calculation method provides a theoretical basis for further research on distortional buckling and the ultimate resistance of I-steel concrete composite beams under a variable axial force.
The paper derives, validates and illustrates the application of GBT-based formulae to estimate distortional critical lengths and bifurcation stress resultants in cold-formed steel rack-section columns, beams and beam-columns with arbitrarily inclined mid-stiffeners and four support conditions. After a brief review of the Generalised Beam Theory (GBT) basics, the main concepts and procedures employed to obtain the formulae are addressed. Then, the GBT-based estimates are compared with exact results and, when possible, also with values yielded by formulae due to Lau and Hancock, Hancock and Teng et al. A few remarks on novel aspects of the rack-section beam-column distortional buckling behaviour, unveiled by the GBT-based approach, are also included.
This paper reports the numerical investigation conducted to study the influence of Local-Distortional (L-D) interaction mode buckling on post buckling strength erosion in fixed ended lipped channel cold formed steel columns. This investigation comprises of 81 column sections with various geometries and yield stresses that are carefully chosen to cover wide range of strength related parametric ratios like (i) distortional to local critical buckling stress ratio ($0.91{\leq}F_{CRD}/F_{CRL}{\leq}4.05$) (ii) non dimensional local slenderness ratio ($0.88{\leq}{\lambda}_L{\leq}3.54$) (iii) non-dimensional distortional slenderness ratio ($0.68{\leq}{\lambda}_D{\leq}3.23$) and (iv) yield to non-critical buckling stress ratio (0.45 to 10.4). The numerical investigation is carried out by conducting linear and non-linear shell finite element analysis (SFEA) using ABAQUS software. The non-linear SFEA includes both geometry and material non-linearity. The numerical results obtained are deeply analysed to understand the post buckling mechanics, failure modes and ultimate strength that are influenced by L-D interaction with respect to strength related parametric ratios. The ultimate strength data obtained from numerical analysis are compared with (i) the experimental tests data concerning L-D interaction mode buckling reported by other researchers (ii) column strength predicted by Direct Strength Method (DSM) column strength curves for local and distortional buckling specified in AISI S-100 (iii) strength predicted by available DSM based approaches that includes L-D interaction mode failure. The role of flange width to web depth ratio on post buckling strength erosion is reported. Then the paper concludes with merits and limitations of codified DSM and available DSM based approaches on accurate failure strength prediction.
A method for computing the elastic buckling prestressing force of a post-tensioned composite steel-concrete tee-beam is presented. The method is based on a virtual work formulation, and incorporates the restraint provided by the concrete slab to the buckling displacements of the steel beam. The distortional buckling solutions are shown to be given by a quadratic equation. The application of the analysis to calculation buckling strengths is given, based on codified rules for beam-columns. Conclusions are then drawn on the importance of distortional buckling when a post-tensioned composite beam is stressed during jacking.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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