Cai, Jianguo;Zhang, Qian;Zhang, Yiqun;Lee, Daniel Sang-hoon;Feng, Jian
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.669-680
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2018
The rapidly decreasing natural resources and the global variation of the climate push us to find intelligent and efficient structural systems to provide more people with fewer resources. This paper proposed a kinematic cable-strut system to realize sustainable structures in responding to changing environmental conditions. At first, the concept of the kinematic system based on crystal-cell pyramid (CP) cable-strut unit was given. Then the deployment of the structure was studied experimentally. After that, the static behaviors in the fully deployed state under the symmetric and asymmetric load cases were investigated. Moreover, the effects of thermal loading and the initial prestress distribution were also discussed. Comparative studies between the proposed structure and other deployable cable-strut system under three times of design load cases were carried out. Finally, the robustness of the system was studied by removal of one passive cable at one time.
An equivalent friction element is proposed to simulate the friction in cable-strut joints. Equivalent stiffness matrixes and load vectors of the friction element are derived and are unified into patterns for FEM by defining a virtual node specially to store internal forces. Three approaches are described to verify the rationality of the new equivalent friction element: applying the new element in a cable-roller model, and numerical solutions match well with experimental results; applying the element in a continuous sliding cable model, and theoretical values, numerical and experimental results are compared; and the last is applying it in truss string structures, whose results indicate that there would be a great error if the cable of cable supported structures is simulated with discontinuous cable model which is usually adopted in traditional finite element analysis, and that the prestress loss resulted from the friction in cable-strut joints would have adverse effect on the mechanical performance of cable supported structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.260-267
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1999
In this paper, We propose the initial shape finding and dynamic analysis of cable dome structure are presented. Cable dome that is consist of three component such as cable, strut and fabric membrane have complex structural characteristics. Main structural system of cable dome is cable-strut tensegric system, and fabric membrane element Is conceived as cladding roof material. One of the important problem of cable dome is shape finding of those subjected to cable and membrane forces, which stabilize the structures. And the other is structural response from external load effect such as snow and wind When cable dome are subjected to dynamic load such as wind load each structural component has many important problem because of their special structural characteristics. One problem is that geometrical nonlinearity should be considered in the dynamic analysis because large deformation is occurred from their flexible characteristic. The other problem is that wrinkling occurs occasionally because cable and membrane elements can not transmit compressive forces. So this paper describe the physical structural response of cable dome structure.
Optimization of the construction scheme of the cable-strut tensile structure based on error sensitivity analysis is studied in this paper. First, the element length was extracted as a fundamental variable, and the relationship between element length change and element internal force was established. By setting all pre-stresses in active cables to zero, the equation between the pre-stress deviation in the passive cables and the element length error was obtained to analyze and evaluate the error effects under different construction schemes. Afterwards, based on the probability statistics theory, the mathematical model of element length error is set up. The statistical features of the pre-stress deviation were achieved. Finally, a cable-strut tensile structure model with a diameter of 5.0 m was fabricated. The element length errors are simulated by adjusting the element length, and each member in one symmetrical unit was elongated by 3 mm to explore the error sensitivity of each type of element. The numerical analysis of error sensitivity was also carried out by the FEA model in ANSYS software, where the element length change was simulated by implementing appropriate temperature changes. The theoretical analysis and experimental results both indicated that different elements had different error sensitivities. Likewise, different construction schemes had different construction precisions, and the optimal construction scheme should be chosen for the real construction projects to achieve lower error effects, lower cost and greater convenience.
The jib system with middle strut is widely used to achieve the large arm length in the large scale tower crane and the deployability in the mobile construction crane. In this paper, an analytical solution for the out-of-plane buckling of the jib system with middle strut is proposed. To obtain the analytical expression of the buckling characteristic equation, the method of differential equation was adopted by establishing the bending and torsional differential equation of the jib system under the instability critical state. Compared with the numerical solutions of the finite element software ANSYS, the analytical results in this work agree well with them. Therefore, the correctness of the results in this work can be confirmed. Then the influences of the lateral stiffness of the cable fixed joint, the dip angle of the strut, the inertia moment of the strut, and the horizontal position of the cable fixed joint on the out-of-plane buckling behavior of the jib system were investigated.
Cable-supported ribbed beam composite slab structure (CBS) is proposed in this study. As a new cable-supported structure, it has many merits such as long span availability and cost-saving. Inspired by the previous research on cable-supported structures, the fabrication and construction process are developed. Pre-stress design method based on static equilibrium analysis is presented. In the algorithm, the iteration convergence can be accelerated and the calculation result can be kept in an acceptable precision by setting a rational threshold value. The accuracy of this method is also verified by experimental study on a 1:5 scaled model. Further, important parameters affecting the mechanical features of the CBS are discussed. The results indicate that the increases of sag-span ratio, depth of the ribbed beam and cable diameter can improve the mechanical behavior of the CBS by some extent, but the influence of strut sections on mechanical behavior of the CBS is negligible.
Seo, Minhee;Lee, Seunghye;Baek, Kiyoul;Jeong, Jinwoo;Kim, Sun-Myung;Lee, Jaehong
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.18
no.3
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pp.93-103
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2018
This study showed that experimental study of inelastic nonlinear behavior of two-way beam string structures. General large span structures consisting of beam members have large moment and long cross section of area. In order to decrease these excessive moment and deflection, the two-way beam string structures composed of H-Beam, strut, and cable elements were proposed. In the two-way string beam, the cable with the prestress improves force distribution of some weight reduction. Two systems made of structural steel and cables were tested. The nonlinear behaviour of the two-way beam string structures studied by using finite element model and compared to experimental results. The displacement of the LVDT in the center of the beam correspond with the ABAQUS results. 2,200MPa cable can afford to bear breaking load than 1,860MPa cable. The two-way beam string structures is correlated to the finite element model and the experimental results. In consequence, It showed that the system with two-way cables exhibits much better structural performances than H-Beam structures and beam with cable.
Cable-girder anchorage joint is the critical part of cable-supported bridges. Tensile-plate anchorage (TPA) is one of the most commonly used types of cable-girder anchorage joints in steel girder cable-supported bridges. In recent years, it has been proposed by bridge designers to apply TPA to concrete girder cable-supported bridges to form composite cable-girder anchorage joint (CCGAJ). In this paper, the mechanical performance of CCGAJ under tensile force is studied through experimental and numerical analyses. Firstly, the effects of the external prestressing (EP) and the bearing plate (BP) on the mechanical performance of CCGAJ were investigated through three tests. Then, finite element model was established for parametrical study, and was verified by the experimental results. Then, the effects of shear connector forms, EP, BP, vertical rebar rate, and perforated rebar rate on the tensile capacity of CCGAJ were investigated through numerical analyses. The results show that the tensile capacity of CCGAJ depends on the first row of PR. The failure mode of CCGAJ using headed stud connectors is to form a shear failure surface at the end of the studs while the failure mode using PBLs is similar to the bending of a deep girder. Finally, based on the strut-and-tie model (STM), a calculation method for CCGAJ tensile capacity was proposed, which has a high accuracy and can be used to calculate the tensile capacity of CCGAJ.
Constructive merging of "basic" systems of different behavior creates hybrid systems. In doing so, the structural elements are grouped according to the behavior in carrying the load into a geometric order that provides sufficient load and structure functionality and optimization of the material consumption. Applicable in all materializations and logical geometric forms is a transparent system suitable for the optimization of load-bearing structures. Research by individual authors gave insight into suitable system constellations from the aspect of load capacity and the approximatemethod of estimating the participation of partialstiffnesswithin the rigidity ofthe hybrid system. The obtained terms will continue to be the basisfor our own research of the influence of variable parameters on the behavior of hybrid systemsformed of glued laminated girder and cable of different geometric shapes. Previous research has shown that by applying the strut-type hybrid systems can increase the load capacity and reduce the deformability ofthe free girder.The implemented parametric analysis pointsto the basic parameterin the behavior of these systems-the rigidity ofindividual elements and the overallstiffnessofthe system.The basic idea ofpre-stressing is that, in the load system or individual load-bearing element, prior to application of the exploitation load, artificially challenge the forcesthatshould optimize the finalsystembehaviorin the overall load. Pre-stressing is possible only if the supporting system orsystem's element possesssufficientstrength orstiffness, orreaction to the imposed forces of pre-stressing. In this paper will be presented own research of the relationship of partial stiffness of strut-type hybrid systemsofdifferentgeometric forms.Conducted parametric analysisofhybridsystemswithandwithoutpre-stressing, and on the example of the glulam-steel strut-type hybrid system under realistic conditions of change in the moisture content ofthe wooden girder,resulted in accurate expressions and diagramssuitable for application in practice.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.19
no.3
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pp.61-68
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2019
A tensegrity module structure is suitable type for spatial structures. Because the tensegrity is composed of set of discontinuous compressive elements (struts) floating within a net of continuous tensile elements (cables), the system can provide the basis for lightweight and strong. However, despite the advantages of tensegrities, design and fabrication of the systems have difficulty because of form-finding methods, pin-connection and the control of prestress. In this paper, the new pin-connection method was invented to make the tensegrity module. The production process and practical implementation of uniformly compressed the tensegrity structures by using a UTM are described. Experiments showed the mechanical response and failure aspects of the tensegrity system.
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