The elastic stiffness formula of leaf type holddown spring(HDS) assembly is verified by comparing the values of elastic stiffness with the characteristic test results of the HDS's specimens. The comparisons show that the derived elastic stiffness formula is useful in reliably estimating the elastic stiffness of leaf type HDS assembly. The elastic stiffness sensitivity of leaf type HDS assembly is analyzed using the formula and its gradient vectors obtained from the mid-point formula. As a result of sensitivity analysis, the elastic stiffness sensitivity with respect to each design variable is quantified and design variables of large sensitivity are identified. Among the design variables, leaf thickness is identified as the most sensitive design variable to the elastic stiffness of leaf type HDS assembly. In addition, the elastic stiffness sensitivity, with respect to design variable, is in power-law type correlation to the base thickness of the leaf.
Perfobond rib connectors are widely used in composite structures to achieve the composite action between the steel and the concrete, and empirical expressions for their strength and secant stiffness have been obtained by numerical simulations or push-out tests. Since perfobond connections are generally in an elastic state in the service process and the structural analysis are always based on the elastic properties of the members, the secant stiffness is not applicable for the normal structural analysis. However, the tangent stiffness of perfobond connections has not been introduced in previous studies. Moreover, the perfobond connections are bearing tension and shear force simultaneously when the composite beams subjected to torque or local loads, but the current studies fail to arrive at the elastic stiffness considering the combined effects. To resolve these discrepancies, this paper investigates the initial elastic stiffness of perfobond connections under combined forces. The calculation method for the elastic stiffness of perfobond connections is analyzed, and the contributions of the perfobond rib, the perforating rebar and the concrete dowel are investigated. A finite element method was verified with a high value of correlation for the test results. Afterwards, parametric studies are carried out using the reliable finite element analysis to explore the trends of several factors. Empirical equations for predicting the initial elastic stiffness of perfobond connections are proposed by the numerical regression of the data extracted by parametric studies. The equations agree well with finite element analysis and test results, which indicates that the proposed empirical equations reflect a high accuracy for predicting the initial elastic stiffness of perfobond connections.
A formula for estimating the elastic stiffness of TW-HDS with a uniformly tapered width from w$_{0}$ to w$_{1}$ over the length, has been analytically derived based on Euler beam theory and Castigliano's theorem. Elastic stiffnesses of the TW-HDSs designed in the same dimensional design spaces as the KOFA HDSs have been estimated from the derived formula, in addition, a sensitivity study on the elastic stiffness of the TW-HDSs has been carried out. Analysis results show that elastic stiffnesses of the TW-HDSs have been by far higher than those of the KOFA HDSs, and that, as the effects of axial and shear force on the elastic stiffness have been 0.15-0.21%, most of the elastic stiffness is attributed to the bending moment. As a result of sensitivity analysis, the elastic stiffness sensitivity at each design variable is quantified and design variables having remarkable sensitivity are identified. Among the design variables, leaf thickness is identified as that of having the most remarkable sensitivity of the elastic stiffness.
Based on the Euler beam theory and the elastic strain energy method, the elastic stiffness formula of the holddown spring assembly consisting of several leaves was previously derived. Even though the previous formula was known to be useful to estimate the elastic stiffness of the holddown spring assembly, recently it was reported that the elastic stiffness from the previous formula deviated greatly from the test results as the number of leaves was increased. The objective of this study is to extend the previous formula in order to resolve such an increasing deviation when increasing the number of leaves. Additionally, considering the friction forces acting on the interfaces between the leaves, we obtained an extended elastic stiffness formula. The characteristic test and the elastic stiffness analysis on the various kinds of specimens of the holddown spring assembly have been carried out; the validity of the extended formula has been verified by the comparison of their results. As a result of comparisons, it is found that the extended formula is able to evaluate the elastic stiffness of the holddown spring assembly within the maximum error range of + 12%, irrespective of the number of the leaves.
An elastic stiffness formula of a leaf type holddown spring(HDS) assembly with a uniformly tapered width from $w_0$ to $w_14$ over the length, has been analytically derived based on Euler beam theory and Castigliano's theorem. Elastic stiffnesses of the tapered-width leaf type HDSs(TW-HDSs) designed in the same dimensional design spaces as the KOFA HDSs have been evaluated from the derived formula, in addition, a parametric study on the elastic stiffness of the TW-HDSs has been carried out. Analysis results show that, as the effects of axial and shear force on the elastic stiffness of He TW-HDSs have been 0.15~0.21% of the elastic stiffness, most of the elastic stiffness is attributed to the bending moment, and that elastic stiffnesses of the TW-HDSs have been about 32~33% higher than those of the KOFA HDSs. It is found that the number of leaves composing a HDS assembly could be lessened by one under the conditions that the TW-HDSs have been adopted in KOFA.
The previous elastic stiffness formulas of leaf type holddown spring assemblies(HDSs) have been corrected and extended to be able to consider the point of taper runout for the TT-HDS and all the strain energies for both the TT-HDS and the TW-HDS based on Euler beam theory and Castigliano'stheorem. The elastic stiffness sensitivity of the leaf type holddown spring assemblies was analyzed using the derived elastic stiffness formulas and their gradient vectors obtained from the mid-point formula. As a result of the sensitivity analysis, the elastic stiffness sensitivity at each design variable is quantified and design variables having remarkable sensitivity are identified. Among the design variables, leaf thickness is identified as that of having the most remarkable sensitivity of the elastic stiffness. In addition, it was found that the sensitivity of the leaf type HDS's elastic stiffness is exponentially correlated to the leaf thickness.
In composite structures, shear connectors are crucial components to resist the relative slip between the steel and concrete, and thereby to achieve the composite actions. In the service stage, composite structures are usually in elastic state, so the elastic stiffness of the shear connection is a quite important parameter in the structural analysis of composite structures. Nevertheless, the existing studies mainly focus on the load-slip relationship rather than the tangent stiffness at the initial elastic stage. Furthermore, when composite beams subjected to torque or local load, shear connections are affected by both tensile force and shear force. However, the stiffness of shear connections under combined effects appears not to have been discussed hitherto. This paper investigates the initial elastic stiffness of stud connections under combined effects of biaxial forces. The initial expression and the relevant parameters are obtained by establishing a simplified analytical model of the stud connection. Afterwards, parametric finite element analysis is performed to investigate the effects of the relevant factors, including the stud length, stud diameter, elastic modulus of concrete, elastic modulus of steel and volume ratio of reinforcement. The feasibility of the proposed modelling has been proved by comparing with sufficient experimental tests. Based on the analytical analysis and the extensive numerical simulations, design equations for predicting the initial elastic stiffness of stud connections are proposed. The comparison between the equations and the data of finite element models demonstrates that the equations are accurate enough to serve for engineering communities.
This study aims to examine the elastic stiffness properties of Elliptic-Braced Moment Resisting Frame (EBMRF) subjected to lateral loads. Installing the elliptic brace in the middle span of the frames in the facade of a building, as a new lateral bracing system not only it can improve the structural behavior, but it provides sufficient space to consider opening it needed. In this regard, for the first time, an accurate theoretical formulation has been developed in order that the elastic stiffness is investigated in a two-dimensional single-story single-span EBMRF. The concept of strain energy and Castigliano's theorem were employed to perform the analysis. All influential factors were considered, including axial and shearing loads in addition to the bending moment in the elliptic brace. At the end of the analysis, the elastic lateral stiffness could be calculated using an improved relation through strain energy method based on geometric properties of the employed sections as well as specifications of the utilized materials. For the ease of finite element (FE) modeling and its use in linear design, an equivalent element was developed for the elliptic brace. The proposed relation was verified by different examples using OpenSees software. It was found that there is a negligible difference between elastic stiffness values derived by the developed equations and those of numerical analysis using FE method.
During bolted flange assembly, the contact stiffness of some areas of the joint surface may be low due to the elastic interaction. In order to improve the contact stiffness at the lowest position of bolted flange, the correlation model between the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established in this paper. According to the stress distribution model of a single bolt, an assumption of uniform local contact stiffness of bolted flange is made. Moreover, the joint surface is divided into the compressive stress region and the elastic interaction region. Based on the fractal contact theory, the relationship model of contact stiffness and contact force of the joint surface is proposed. Considering the elastic interaction coefficient method, the correlation model of the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established. This model can be employed to reverse determine the tightening strategy of the bolt group according to working conditions. As a result, this provides a new idea for the digital design of tightening strategy of bolt group for contact stiffness of bolted flange. The tightening strategy of the bolted flange is optimized by using the correlation model of initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange. After optimization, the average contact stiffness of the joint surface increased by 5%, and the minimum contact stiffness increased by 6%.
탄성지반상의 원형탱크해석에는 여러방법이 있지만 최근에 널리 사용되는 방법은 유한요소법이다. 그러나 이 방법은 탄성지반상의 탱크해석시 많은 절점수가 필요하게 된다. 이것은 곧 많은 계산기 기억용량 및 계산시간 뿐만 아니라 노력이 필요하게 된다. 본 연구에서는 유사탄성지반보(Analogy of Beam on Elastic Foundation) 및 지반강성행렬(Foundation Stiffness Matrix)을 이용하여 축대칭하중을 받는 축대칭탱크를 뼈대 구조화 할 수 있었다. 또한 이 뼈대 구조를 유한요소로 분할하고, 각 요소 강성행렬(Stiffness Matrix)을 전달행렬(Transfer Matrix)로 전환하여 전달행렬법으로 원형탱크를 해석 할 수 있었다. 유한요소법과 전달행렬법을 탄성지반상의 원형탱크 해석에 적용한 결과 두 해석결과의 차이는 없고, 전달행렬법을 적용한 경우 최종 연립방정식수가 4개로 간략화 되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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