Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.249-253
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1997
A numerical method for evaluating the equilibrium path of cylindrical shell subject to axial load and eccentrically axial load is presented. The effects of both material and geometric nonlinearities were also considered in the analysis. The nonlinear formulation was based on the total Lagrangian description and nonlinear equtions were solved by the Newton-Raphson method with load increment procedures. Degenerate shell elements with layered approach were employed for the analysis. The elasto-plastic deformation can be found in several examples and a large eccentricity of the axial load reduces the stress level at the time of the local buckling of the pipe considerably.
In this study, theoretical and experimental results are presented which were obtained during an investigation of the influence of the $P-{\Delta}$ effect that was caused by the simultaneous changing of the axial load P of the column and the lateral displacement ${\Delta}$ in the external beam-column joints. The increase or decrease of ${\Delta}$ was simultaneous with the increase or decrease of the axial compression load P and caused an additional influence on the aseismic mechanical properties of the joint. A total of 12 reinforced concrete exterior beam-column subassemblies were examined. A new model, which predicts the beam-column joint ultimate shear strength, was used in order to predict the seismic behaviour of beam-column joints subjected to earthquake-type loading plus variable axial load and $P-{\Delta}$ effect. Test data and analytical research demonstrated that axial load changes and $P-{\Delta}$ effect during an earthquake cause significant deterioration in the earthquake-resistance of these structural elements. It was demonstrated that inclined bars in the joint region were effective for reducing the unfavourable impact of the $P-{\Delta}$ effect and axial load changes in these structural elements.
This paper presents a curvature method for analysis of beam-columns with different materials and arbitrary cross-section shapes and subjected to combined biaxial moments and axial load. Both material and geometric nonlinearities (the p-delta effect in this case) were incorporated. The proposed method considers biaxial curvatures and uniform normal strains of discrete cross-sections of beam-columns as basic unknowns, and seeks for a solution of the column deflection curve that satisfies force equilibrium conditions. A piecewise representation of the beam-column deflection curve is constructed based on the curvatures and angles of rotation of the segmented cross-sections. The resulting bending moments were evaluated based on the deformed column shape and the axial load. The moment curvature relationship and the beam-column deflection calculation are presented in matrix form and the Newton-Raphson method is employed to ensure fast and stable convergence. Comparison with results of analytic solutions and eccentric compression tests of wood beam-columns implies that this method is reliable and effective for beam-columns subjected to eccentric compression load, lateral bracings and complex boundary conditions.
In this study, the authors present an analytical approach to find the axisymmetric buckling load of two joined isotropic conical shells under axial compression. The problem of two joined conical shells may be considered as the generalized form of joined cylindrical and conical shells with constant or stepped thicknesses. Thickness of each cone is constant; however it may be different from the thickness of the other cone. The boundary conditions are assumed to be simply supported with rigid rings. The governing equations for the conical shells are obtained and solved with an analytical approach. A simple closed-form expression is obtained for the buckling load of two joined truncated conical shells. Results are compared and validated with the numerical results of finite element method. The variation of buckling load with changes in the thickness and semi-vertex angles of the two cones is studied. Finally, application of the results in practical design and range of engineering validity are investigated.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.335-340
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1998
The apparently different physical problems of lateral vibration and elastic stability of a linear member are limiting cases of a single phenomenon, the more general expression being the mode of vibration with end thrust. For a single-span beam-column, it is generally known that the square of the frequency of lateral vibration is approximately linearly related to compressive axial force. In this paper the relationship between the frequency and axial force of multi-span compression members is investigated by means of the finite element method.
The objective of this work is to predict the failure loads, associated maximum transverse displacements, locations and the modes of failure, including the onset of delamination, of thin, flat, square symmetric laminates under the action of uni-axial compression. Two progressive failure analyses, one using Hashin criterion and the other using Tensor polynomial criteria, are used in conjunction with the finite element method. First order shear deformation theory and geometric nonlinearity in the von Karman sense have been employed. Five different types of lay-up sequence are considered for laminates with all edges simply supported. In addition, two boundary conditions, one with all edges fixed and other with mixed boundary conditions for $(+45/-45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate have also been considered to study the effect of boundary restraints on the failure loads and the corresponding modes of failure. A comparison of linear and nonlinear results is also made for $({\pm}45/0/90)_{2s}$ quasi-isotropic laminate. It is observed that the maximum difference between the failure loads predicted by various criteria depend strongly on the laminate lay-ups and the flexural boundary restraints. Laminates with clamped edges are found to be more susceptible to failure due to the transverse shear and delamination, while those with the simply supported edges undergo total collapse at a load slightly higher than the fiber failure load.
Hollow steel-reinforced concrete-filled GFRP tubular member is a new kind of composite members. Firstly set the mold in the GFRP tube (non-bearing component), then set the longitudinal reinforcements with stirrups (steel reinforcement cage) between the GFRP tube and the mold, and filled the concrete between them. Through the axial compression test of the hollow steel-reinforced concrete-filled GFRP tubular member, the working mechanism and failure modes of composite members were obtained. Based on the experiment, when the load reached the ranges of $55-70%P_u$ ($P_u-ultimate$ load), white cracks appeared on the surface of the GFRP tubes of specimens. At that time, the confinement effects of the GFRP tubes on core concrete were obvious. Keep loading, the ranges of white cracks were expanding, and the confinement effects increased proportionally. In addition, the damages of specimens, which were accompanied with great noise, were marked by fiber breaking and resin cracking on the surface of GFRP tubes, also accompanied with concrete crushing. The bearing capacity of the axially compressed components increased with the increase of reinforcement ratio, and decreased with the increase of hollow ratio. When the reinforcement ratio was increased from 0 to 4.30%, the bearing capacity was increased by about 23%. When the diameter of hollow part was decreased from 55mm to 0, the bearing capacity was increased by about 32%.
In this paper, we developed the hydroforming simulator which can apply an axial compressive force and high internal pressure to bulge a tube. Experimental dtudies have been performed to investigate the effect of each parameters such as internal pressure and axial compression stroke required for the forming of circular components. Under the improper forming conditions there were two forming failures. One was the axial buckling due to excessive axial compressive load and the other was the circumferential necking fracture due to relatively high internal pressure. A safe forming zone without any failures exists between these two extreme zones. Also the condition of forming failure such as fracture is examined throughout the theoretical analysis. This paper covers a brief overview of the mechanism of hydroforming process as well as the design of die and tools.
An analytical research on buckling of simply supported thin plate with variable thickness under bi-axial compression is presented in this paper. Combining the perturbation technique, Fourier series expansion and Galerkin methods, the linear governing differential equation of the plate with arbitrary thickness variation under bi-axial compression is solved and the analytical expression of the critical buckling load is obtained. Based on that, numerical analysis is carried out for the plates with different thickness variation forms and aspect ratios under different bi-axial compressions. Four different thickness variation forms including linear, parabolic, stepped and trigonometric have been considered in this paper. The calculated critical buckling loads and buckling modes are presented and compared with the published results in the tables and figures. It shows that the analytical expressions derived by the theoretical method in this paper can be effectively used for buckling analysis of simply supported thin plates with arbitrary thickness variation, especially for the stepped thickness that used in engineering widely.
The Ssteel-Cconcrete (SC) Ccomposite Ccolumn is a new Ccomposite Ccolunin system, where hoops are welded between flanges of H-shapesd steel and concrete is filled in spaces between flanges are filled with con crete. Tests of SC composite columns were performed previously to determine their compression, bending and shear strength, and it showed good structural behavior. But sSince a column is usually subjected to an axial compression force, and bending it ihas needed to be bent forevaluate its structural behavior to be evaluated when its axial load and bending isaresimultaneously applied to the SC composite column. In this paper, tests were conducted to investigate the bending strength of SC composite columns subjected to axial compression force and bending moment. The parameters of the tests were concrete, a stud bolt, a hoop and a magnitude of axial compression. The test results showed that the maximum bending strength and ductility of an SC composite column were increased by 33-42% and 33-63%, respectively, comparinged to those of a bare steel column. Also, the results obtained bywith the Korean Limit State Design Code (LSD) presents a considerably safe side value compared to those of the Eurocode-4 and the Japan Code. However, wWhen the axial compression force is was increased, however, there awere considerable differences between the maximum strength obtained by the test and the LSD analysis. For this reason, it is recommended tothe use of the Eurocode-4 is recommended when calculates the strength of an SC composite column is being calculated, since the Eurocode-4 gives us a better estimation.
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