The effect of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the thin-walled members subjected to the axial loads, obtained by the finite element stability analysis, are examined. As the initial imperfections, the bucking mode shapes of the members are adopted. The buckling mode shapes of the thin-walled members are obtained by the transfer matrix method. In the finite element stability analysis, isoparametric degenerated shell element is used, and the geometrical and material nonlinearity are considered based on the Green Lagrange strain definition and the Prandtl-Reuss stress-strain relation following the von Mises yield criterion. The U-, box- and I-section members subjected to the axial loads are adopted for numerical examples, and the effects of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the members are examined.
Thin walled steel bridge-piers/columns are vulnerable to damage, when subjected to earthquake excitations. Local buckling, global buckling or interaction between local and global buckling usually is the cause of this damage, which results in significant strength reduction of the member. In this study new innovative design concepts, "thin-walled corrugated steel columns" and "thin-walled cellular steel columns" are presented, which allow the column to undergo large plastic deformations without significant strength reduction; hence dissipate energy under cyclic loading. It is shown that, compared with the conventional designs, circular and stiffened box sections, these new innovative concepts might results in cost-effective designs, with improved buckling and ductility properties. Using a finite element model, that takes the non-linear material properties into consideration, it is shown that the corrugations will act like longitudinal stiffeners that are supporting each other, thus improving the buckling behavior and allowing for reduction of the overall wall thickness of the column.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
Chen, Shenggang;Ye, Yinghua;Guo, Quanquan;Cheng, Shaohong;Diao, Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.60
no.6
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pp.1039-1061
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2016
Based on Vlasov's torsional theory of open thin-walled members and the nonlinear constitutive relations of materials, a nonlinear analysis model to predict response of open thin-walled RC members subjected to pure torsion is proposed in the current study. The variation of the circulatory torsional stiffness and warping torsional stiffness over the entire loading process and the impact of warping shear deformation on the torsion-induced rotation of the member are considered in the formulation. The torque equilibrium differential equation is then solved by Runge-Kutta method. The proposed nonlinear model is then applied to predict the behavior of five U-shaped thin-walled RC members under pure torsion. Four of them were tested in an earlier experimental study by the authors and the testing data of the fifth one were reported in an existing literature. Results show that the analytical predictions based on the proposed model agree well with the experimental data of all five specimens. This clearly shows the validity of the proposed nonlinear model analyzing behavior of U-shaped thin-walled RC members under pure torsion.
In this study, collapse test of thin-walled structure is performed under axially quasi-static and impact load in collapse characteristic to develop the optimum structural member for a light-oriented automobile. Furthermore, the energy-absorbing capacity is observed according to the variety of configuration(circular, square), aspect ratio in aluminum specimen to obtain basic data for the improved member of vehicle. In both quasi-static and impact collapse test, Al circular specimens collapse, in general, with axisymmetric mode in case of thin thickness while collapse with non-axisynmetric mode according to the thickness increase. For Al rectangular specimens, they collapse with axisymmetric mode in case of thin thickness, with mixed collapse mode according to the increase of thickness. In terms of initial max. load, Al square specimen turns out the best member among specimens, and then Al square, circular and circular with large scaling ratio, respectively. In case of quasi-static compression test, the absorbed energy per unit volume and mass shows higher in Al circular specimen, and then Al square, circular with large scaling ratio, respectively, according to shape ratio the absorbed energy per unit volume and mass in case of max. impact compression load is higher than that of static load. But the absorbed energy per unit volume and mass shows that Al circular specimen is the best member. Especially, unlike max. compression loan, the absorbed energy per unit volume and mass in impact test turns out the low value.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1995.10a
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pp.650-654
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1995
In this study, in order to measure energy-absorbing charactistics in collapse test of CFRP thin-walled laminates and interpretate the cause of decreasing age when collapse test is carried out under the environments of high temperatures and hygrothermals, the moisture absorbing behavior according to the variety of orientation angel is observed and collapse characteristics is compared with the influence of high temperatures and hygrothermals. Especially, we supposed to clearly understand reationship between collapse characteristics in proportion to the variety of orientation angel and moisture absorbing. The value of the maximum loading, mean loading,rate of energy absorption energy per unit volume and mass in CFRP thin-walled laminates on the high temperatures and hygrothermals is measured lower than under no moisture absorbing. The maximum collapse loading in dynamic impact test is taken measurement lower than in static collapse test regarding compared with collapse characteristics conformity with the variety of the CFRP circular laminates in high temperatures and hygrothermals. But the absorbed energy per unit mass and volume is almost same and the biggest amount of energy is shown in the CFRP circular laminates with orientation angel of 15 .deg.. Therefore, in the case of use to CFRP circular laminates with axisymmetric mode, CFRP thin-walled structal members with orientation angel of 10 .deg. , 15 . deg. are generally useful.
In this paper a simple finite element is proposed for analyzing out of plane vibration of thin walled curved beams, with both open and closed sections, considering shear flexibility. The present element is obtained from a variational formulation governing the dynamics of a three-dimensional elastic body in which the stress tensor as well as the displacements are variationally independent. The element has two nodes with four degrees of freedom in each. Numerical examples for the first six frequencies are performed in order to assess the accuracy of the finite element formulation and to show the influence of the shear flexibility on the dynamics of the member.
Bernoulli-Euler beam theory is used to develop an exact dynamic stiffness matrix for the flexural-torsional coupled motion of a three-dimensional, axially loaded, thin-walled beam of doubly asymmetric cross-section. This is achieved through solution of the differential equations governing the motion of the beam including warping stiffness. The uniform distribution of mass in the member is also accounted for exactly, thus necessitating the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, examples are given to confirm the accuracy of the theory presented, together with an assessment of the effects of axial load and loading eccentricity.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.589-596
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2006
An improved numerical method to obtain the exact element stiffness matrix is newly proposed to perform the spatially coupled elastic and stability analyses of non-symmetric thin-walled beam-columns with two-types of elastic foundation. This method overcomes drawbacks of the previous method to evaluate the exact stiffness matrix for the spatially coupled stability analysis of thin-walled beam-column. This numerical technique is firstly accomplished via a generalized eigenproblem associated with 14 displacement parameters by transforming equilibrium equations to a set of first order simultaneous ordinary differential equations. Then exact displacement functions are constructed by combining eigensolutions and polynomial solutions corresponding to non-zero and zero eigenvalues, respectively. Consequently an exact stiffness matrix is evaluated by applying the member force-deformation relationships to these displacement functions.
Pultruded cross-sections are always thin-walled due to constraints in the manufacturing process. Thus, the buckling strength determines the overall strength of the member. The elastic buckling of pultruded angle sections subjected to direct compression is studied. The lateral-torsional buckling, very likely to appear in thin-walled cross-sections, is investigated. Plate theory is used to allow for cross-sectional distortion. Shear effects and bending-twisting coupling are accounted for in the analysis because of their significant role. A simplified approach for determining the maximum load of equal leg angle sections under compression is presented. The analytical results obtained in this study are compared to the manufacturer's design guidelines for compression members as well as with the design specifications for steel structural members. Experimental results are obtained for various length specimens of pultruded angle sections. The results presented in this paper correspond to actual pultruded equal leg angle sections being used in civil engineering structures.
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