Saoula Abdelkader;Abdelrahmane B. Benyamina;Meftah Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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v.52
no.3
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pp.343-356
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2024
This paper presents an analytical solution for correctly predicting the Lateral-Torsional Buckling critical moment of simply supported castellated beams, the solution covers uniformly distributed loads combined with compressive loads. For this purpose, the castellated beam section with hexagonal-type perforation is treated as an arrangement of double "T" sections, composed of an upper T section and a lower T section. The castellated beam with regular openings is considered as a periodic repeating structure of unit cells. According to the kinematic model, the energy principle is applied in the context of geometric nonlinearity and the linear elastic behavior of materials. The differential equilibrium equations are established using Galerkin's method and the tangential stiffness matrix is calculated to determine the critical lateral torsional buckling loads. A Finite Element simulation using ABAQUS software is performed to verify the accuracy of the suggested analytical solution, each castellated beam is modelled with appropriate sizes meshes by thin shell elements S8R, the chosen element has 8 nodes and six degrees of freedom per node, including five integration points through the thickness, the Lanczos eigen-solver of ABAQUS was used to conduct elastic buckling analysis. It has been demonstrated that the proposed analytical solution results are in good agreement with those of the finite element method. A parametric study involving geometric and mechanical parameters is carried out, the intensity of the compressive load is also included. In comparison with the linear solution, it has been found that the linear stability underestimates the lateral buckling resistance. It has been confirmed that when high axial loads are applied, an impressive reduction in critical loads has been observed. It can be concluded that the obtained analytical solution is efficient and simple, and offers a rapid and direct method for estimating the lateral torsional buckling critical moment of simply supported castellated beams.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.8
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pp.456-464
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2016
Increasing the strength of structural materials allows their self-weight to be reduced and this, in turn, enables the structures to satisfy esthetic requirements. The yield strength of high-performance steel is almost 480 MPa, which is approximately 50% higher than that of general structural steel. The use of high strength materials, however, makes the sections more slender, which can potentially result in significant local stability problems. The strength of slender element sections might be governed by their elastic buckling behavior, and the elastic buckling strength is very sensitive to the boundary conditions. Because the web provides the boundary conditions of the compressive thin-flange, the stiffness of the web can affect the elastic buckling strength of the flange. In this study, therefore, the effects of the flange and web slenderness ratios on the elastic flange local buckling of I-girders subjected to a pure bending moment were evaluated by finite element analysis (FEA). The analysis results show that the elastic local buckling strength and buckling modes were affected not only by the web support conditions, but also by the flange and web slenderness ratios.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.10a
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pp.208-215
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1998
A stability problems of isotropic shells under pure bending is investigated based on the classical shells theory. The governing equations of stability problem presented by Donnell and Love, are developed and the solutions for the cylindrical shells are obtained by using Galerkin method. Bending moment is applied at the ends of the cylindrical shell as a from of distributed load in the shape of sine curve. For the isotropic materials, the result of the general purpose structural analysis program based on the finite element method are compared with the critical moment obtained from the classical shell theories. The critical loads for the cylindrical shells with various geometry can not be evaluated with a simple equation. However, accurate solutions for the stability problems of cylindrical shells can be obtained through the equilibrium equation developed in the study.
The differential quadrature method (DQM) is applied to computation of the eigenvalues of out-of-plane bucking of curved beams. Critical moments including the effect of radial stresses are calculated for a single-span wide-flange beam subjected to equal and opposite in-plane bending moments with various end conditions, and opening angles. Results are compared with existing exact solutions where available. The differential quadrature method gives good accuracy even when only a limited number of grid points is used. New results are given for two sets of boundary conditions not previously considered for this problem: clamped-clamped and clamped-simply supported ends.
Concrete shear wall with opening is modeled as a rectangular thin plate. The stability analysis results are presented by the buckling coefficient, k, for two different boundary conditions. The other parameters whose variation have been considered are the ratio of the bending induced force to gravity force, a, the ratio of the horizontal shear force to the gravity force ratio, A and the change of location and the size of perforated part. To obtain the results by finite element method, an example plate has been divided into 27*9 square elements. Four node rectangular c.deg. continuous finite elements having three degrees of freedom per each node is adopted. It is generally concluded that the buckling coefficients decrease as the size of hole increases, and the location of hole moves to free edge of the wall.
The flexural behavior of HSB I-girder with a non-slender web attributed to inelastic lateral-torsional buckling under uniform bending was investigated using nonlinear finite element analysis of ABAQUS. The girder was assumed to have a compact or noncompact web in order to prevent premature bend-buckling of the web. The unbraced length of the girder was selected so that inelastic lateral-torsional buckling governs the ultimate flexural strength. The compression flange was also assumed to be either compact or noncompact to prevent local buckling of the elastic flange. Both homogeneous sections fabricated from HSB600 or HSB800 steel and hybrid sections with HSB800 flanges and SM570-TMC web were considered. In the FE analysis, the flanges and web of I-girder were modeled as thin shell elements. Initial imperfections and residual stresses were imposed on the FE model. An elasto-plastic strain hardening material was assumed for steel. After establishing the validity of the present FE analysis by comparing FE results with test results in existing literature, the effects of initial imperfection and residual stress on the inelastic lateral-torsional buckling behavior were analyzed. Finite element analysis results for 96 sections demonstrated that the current inelastic strength equations for the compression flange in AASHTO LTFD can be applied to predict the inelastic lateral torsional buckling strength of homogeneous and hybrid HSB I-girders with a non-slender web.
For stability analysis of stifened rectangular thin plates with various boundary conditions, Ritz method is presented. An energy method is especially useful in those cases where a rigorous solution of the diferential eqution is unknown or where we have a plate reinforced by stiffeners and it is required to find only an approximate value of the critical load. The strain energy due to the plate bending and the work done by the in-plane forces are taken into account in order to apply the principle of the minimum potential energy. The buckling mode shapes of flexural beams with various boundary conditions are derived, and shape functions consistent with the given boundary conditions in the two orthogonal directions are chosen from those displacement functions of beams. The matrix equations for stability of stiffened rectangular thin plates are determined from the stationary condition of the total potential energy. Numerical example for stability behaviors of horizontally and vertically stiffened plates subjected to uniform compression, bending and shear loadings are presented and the obtained results are compared with other researchers' results.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.2
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pp.141-154
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1993
In this paper, a method to calculate the ultimate compressive strength of welded one-sided stiffened plates simply supported along all edges is proposed. At first initial imperfections such as distortions and residual stresses due to welding are predicted by using simplified methods. Then, the collapse modes of the stiffened plate are assumed and collapse loads for each mode are calculated. Among these loads, the lowest value is selected as the ultimate strength of the plate. Collapse modes are assumed as follows ; (1) Overall buckling of the stiffened plate$\rightarrow$Overall collapse due to stiffener bending (2) Local buckling of the plate part$\rightarrow$Local collapse of the plate part$\rightarrow$Overall collapse due to stiffener yielding (3) Local buckling of the plate part$\rightarrow$Overall collapse due to stiffener berthing (4) Local buckling of the plate part$\rightarrow$Local collapse of the plate part$\rightarrow$Overall collapse due to stiffener tripping. The elastic large deflection analysis based on the Rayleigh-Ritz method is carried out, and plastic analysis assuming hinge lines is also carried out. Collapse load is defined as the cross point of the two analysis curves. This method enables the utimate strength to be calculated with small computing time and a good accuracy. Using the present method, characteristics of the stiffener including torsional rigidity, bending and tripping can also be clarified.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.5
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pp.641-652
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2007
In this paper, a half-scaled substructure test was performed to evaluate the buckling and structural safety of an existing transmission tower subjected to wind load. A loading scheme was devised to reproduce the dead and wind loads of a prototype transmission tower, which uses a triangular jig that is mounted on the reduced model to which the similarity law of a half length was applied. As a result of the preliminary numerical analysis carried out to evaluate the stability of a specimen for the design load, is was confirmed that the calculated axial forces of tower leg members were distributed to $80{\sim}90%$ of an admissible buckling load. When the substructured transmission tower was loaded by 270% of its maximum admissible buckling load, it was failed due to the local buckling that is occurred in joints with weak constraints for out-of-plane behavior of leg members. By inspection of load-displacement curves, displacements and strains of members, it is considered that this local buckling was due to additional eccentric force by unbalanced deformation because the time that is reached to yielding stress due to the bending moment is different at each point of a same section.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.449-456
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1998
A consistent finite element formation and analytic solutions are presented for spatial stability of thin-walled circular arch. The total potential energy is derived by applying the principle of linearized virtual work and including second order terms of finite semitangential rotations. As a result the energy functional corresponding to the semitangential rotation is obtained, in which the elastic strain energy terms are considered restrained warping effects. We have obtained analytic solution for the lateral buckling of monosymmetric thin-walled curved beam subjected to pure bending or uniform compression and it's boundary conditions are simply supported. For finite element analysis, the two node cubic Hermitian polynomials are utilized as shape Auctions. In order to illustrate the accuracy of this study, parameter studies for lateral buckling problems of circular arch are presented and compared with available solutions and numerical results analyzed by the FEM using straight beam element.
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