Numerical simulations are prevalently used to evaluate the seismic behaviour of structures. The accuracy of the simulation results depends directly on the accuracy of the modelling techniques employed to simulate the behaviour of individual structural members. An empirical modelling technique is employed in this paper to simulate the behaviour of column members under cyclic and seismic loading. Despite the common modelling techniques, this technique is capable of simulating two important aspects of the cyclic and seismic behaviour of columns simultaneously. The proposed fiber-based modelling technique captures explicitly the interaction between the bending moment and the axial force in columns, and the cyclic deterioration of the hysteretic behaviour of these members is implicitly taken into account. The fiber-based model is calibrated based on the cyclic behaviour of square hollow steel sections. The behaviour of several column archetypes is investigated under a dual cyclic loading protocol to develop a benchmark database before the calibration procedure. The dual loading protocol used in this study consists of both axial and lateral loading cycles with varying amplitudes. After the calibration procedure, a regression analysis is conducted to derive an equation for predicting a varying calibrated modelling parameter. Finally, several nonlinear time-history analyses are conducted on a 6-story steel special moment frame in order to investigate how the results of numerical simulations can be affected by employing the intended modelling technique for columns instead of other common modelling techniques.
Choi, Dong Ho;Yoo, Hoon;Lee, Beom Soo;Cho, Sun Kyu
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.1
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pp.1-13
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2007
As girders and towers in cable-stayed bridges are subject to bending moments as well as axial forces, the conventional load rating equation, which considers only the single force effect, cannot be used to evaluate the rating factors of cable-stayed bridges. The load rating equation for components in cable-stayed bridges is not currently established yet. In this paper, we propose load rating equations for girders and towers in cable-stayed bridges using the interaction equations for beam-column members. Moving load analyses were performed for the cases of a maximum axial compressive force, maximum positive moment and maximum negative moment for each component in cable-stayed bridges and detailed procedures to apply proposed equations were presented. The Dolsan Grand Bridge was used to verify the validity of proposed equations. The conventional load rating equation overestimates rating factors of girders and towers in the Dolsan Grand Bridge, whereas proposed equations properly reflect the axial-flexural interaction behaviour of girders and towers in cable-stayed bridges.
In this paper, seismic energy response of inelastic steel structures under earthquake excitations is investigated. For this purpose, a numerical procedure based on nonlinear dynamic analysis is developed by considering material, geometric and connection nonlinearities. Material nonlinearity is modeled by the inversion of Ramberg-Osgood equation. Nonlinearity caused by the interaction between the axial force and bending moment is also defined considering stability functions, while the geometric nonlinearity caused by axial forces is described using geometric stiffness matrix. Cyclic behaviour of steel connections is taken into account by employing independent hardening model. Dynamic equation of motion is solved by Newmark's constant acceleration method in the time history domain. Energy response analysis of space frames is performed by using this proposed numerical method. Finally, for the first time, the distribution of the different energy types versus time at the duration of the earthquake ground motion is obtained where in addition error analysis for the numerical solutions is carried out and plotted depending on the relative error calculated as a function of energy balance versus time.
Due to the asymmetric cross-section of unequal-angle steel, the application of loads can induce axial rotation, leading to a series of buckling failure behaviors. Special attention must be paid during the design process. The present study aims to analyze the structural behavior of asymmetric steel angle members under various eccentric loading conditions, considering the complex biaxial bending interaction that arises when the angle steel is connected to the panel. Several key factors are investigated in this paper, including the effects of uniaxial and biaxial eccentricity on the structural behavior and the eccentric axial compression strength of long and short legs at different load application points. Potential risks associated with the specified load points, based on the AISC specifications, are also discussed. The study observed that the strength values of the members exhibited significant changes when the eccentric load deviates from the specified point. The relative position of the eccentric load point and the slenderness ratio of the member are critical influencing factors. Overall, this research intends to enhance the accuracy and reliability of strength analysis methods for asymmetric single angle steel members, providing valuable insights and guidance for a safer and more efficient design.
Use of axisymmetric shell element for the structure increases the efficiency and accuracy in finite element analysis of the interaction between the ground and the structure. This paper derived the force balance equation and the moment balance equation for an axisymmetric shell element based on Kirchhoff's theory. The governing equation for the axial deformation used the isoparametric shape function in the Galerkin formulation, and the governing equation for the shell bending used the higher-order shape function. The developed axisymmetric shell element was combined with Geo-COUS, a geotechnical finite element program for the coupled analysis with the ground. The accuracy of the developed element was confirmed through the example analyses of the circular plate and the liquid storage tank. And the energy balance equation for the axisymmetric shell element is presented.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.1
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pp.298-303
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2016
Owing to the advantages of reduced weight and wind effect, the space-framed towers that consist of vertical and horizontal members of circular hollow tubular sections have been adopted widely for various purposes. It is critical to guarantee the strengths of tubular joints where vertical and horizontal members are connected structurally to make the entire space-framed system behave as a single tower structure. In this study, a strength evaluation was conducted for T-type tubular joints subjected to the concurrent action of compression and bending. Three of the available design codes, i.e., AISC, Eurocode 3, ISO 19902 were investigated and a design equation was suggested for an ultimate strength interaction between the axial force and bending moment based on nonlinear finite element analyses by selecting the slenderness ratios at the joints as major parameters.
8 steel reinforced concrete (SRC) columns with the encased steel ratio of 13.12% and 15.04% respectively were tested under the test axial load ratio of 0.33-0.80 and the low-frequency cyclic lateral loading. The cross sectional area of composite columns was $500mm{\times}500mm$. The mechanical properties, failure modes and deformabilities were studied. All the specimens produced flexure failure subject to combined axial force, bending moment and shear. Force-displacement hysteretic curves, strain curves of encased steels and rebars were obtained. The interaction behavior of encased steel and concrete were verified. The hysteretic curves of columns were plump in shapes. Hysteresis loops were almost coincident under the same levels of lateral loading, and bearing capacities did not change much, which indicated that the columns had good energy-dissipation performance and seismic capacity. Based on the equilibrium equation, the suggested practical calculation method could accurately predict the flexural strength of SRC columns with cross-shaped section encased steel. The obtained M-N curves of SRC columns can be used as references for further studies.
The structural design requirements of an offshore platform subjected to wave induced forces and moments in the jacket can play a major role in the design of the offshore structures. For an economic and reliable design; good estimation of wave loadings are essential. A nonlinear response analysis of a fixed offshore platform under structural and wave loading is presented, the structure is discretized using the finite element method, wave plus current kinematics (velocity and acceleration fields) are generated using 5th order Stokes wave theory, the wave force acting on the member is calculated using Morison's equation. Hydrodynamic loading on horizontal and vertical tubular members and the dynamic response of fixed offshore structure together with the distribution of displacement, axial force and bending moment along the leg are investigated for regular and extreme conditions, where the structure should keep production capability in conditions of the 1-yr return period wave and must be able to survive the 100-yr return period storm conditions. The result of the study shows that the nonlinear response investigation is quite crucial for safe design and operation of offshore platform.
In this paper the dynamic stiffness matrix method was used for the free vibration analysis of axially moving micro beam with constant velocity. The extended Hamilton's principle was employed to derive the governing differential equation of the problem using the modified couple stress theory. The dynamic stiffness matrix of the moving micro beam was evaluated using appropriate expressions of the shear force and bending moment according to the Euler-Bernoulli beam theory. The effects of the beam size and axial velocity on the dynamic characteristic of the moving beam were investigated. The natural frequencies and critical velocity of the axially moving micro beam were also computed for two different end conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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