In the present paper, an extended composite beam theory that has no restriction on the lay-up and can account for Poisson effect which is significant for composite materials is proposed. Buckling equations for composite thin-walled members which are subjected to axial compression are derived based on the composite beam theory. In order to check the validity of the derived buckling equations, the results of experiments on the flexural-torsional buckling of vinylester/E-glass and polyester/E-glass pultruded T-section members and the flexural buckling of vinylester/E-glass pultruded H-section members are used as numerical examples. The comparison of the analytical results to the experimental and FE analysis results reveals that the proposed buckling equations predict the buckling loads of pultruded members conservatively by about 7%.
Tapered girders emerged as an economical remedy for the challenges associated with constructing long-span buildings. From an economic standpoint, these systems offer significant advantages, such as wide spans, quick assembly, and convenient access to utilities between the beam's shallow sections and the ceiling below. Elastic-local buckling is among the various failure modes that structural designers must account for during the design process. Despite decades of study, there remains a demand for efficient and comprehensive procedures to streamline product design. One of the most pressing requirements is a better understanding of the tapered web plate girder's local buckling behavior. This paper conducts a comprehensive numerical analysis to estimate the critical buckling coefficient for simply supported tapered steel web plates, considering loading conditions involving compression and bending stresses. An eigenvalue analysis was carried out to determine the natural frequencies and corresponding mode shapes of tapered web plates with varying geometric parameters. Additionally, the study highlights the relative significance of various parameters affecting the local buckling phenomenon, including the tapering ratio of the panel, normalized plate length, and ratio of minimum to maximum compressive stresses. The regression analysis and optimization techniques were performed using MATLAB software for the results of the finite element models to propose a separate formula for each load case and a unified formula covering different compression and bending cases of the elastic local buckling coefficient. The results indicate that the proposed formulas are applicable for estimating the critical buckling coefficient for simply supported tapered steel web plates.
Orthogonally stiffened steel plates are used for orthotropic steel decks of long-span bridges because of high degree of flexural and torsional resistances and good load-distribution behavior. An analytic study is presented for evaluating the buckling strength of orthogonally stiffened plates subjected to uniaxial compression. By using the plate theory, the buckling stress under overall and partial buckling modes, is derived. Parametric studies are performed to show the effects of the stiffness and the number of transverse and longitudinal ribs on the buckling strength. The results show quantitatively strong influence of stiffness and spacing of longitudinal and transverse ribs.
Buckling is one of the major causes of failure in thin-walled plate members and the presence of cracks with different lengths and locations in such structures may adversely affect this phenomenon. This study focuses on the buckling stability assessment of centrally and non-centrally cracked plates with small-, intermediate-, and large-size cracks, and different aspect ratios as well as support conditions, subjected to uniaxial compression. To this end, numerical models of the cracked plates were created through singular finite element method using a computational code developed in MATLAB. Eigen-buckling analyses were also performed to study the stability behavior of the plates. The numerical results and findings of this research demonstrate the effectiveness of the crack length and location on the buckling capacity of thin plates; however, the degree of efficacy of these parameters in plates with various aspect ratios and support conditions is found to be significantly different. Overall, careful consideration of the aspect ratio, support conditions, and crack parameters in buckling analysis of plates is crucial for efficient stability design and successful application of such thin-walled members.
To increase the stiffness and strength of a reinforced concrete shear wall, steel plates are bolted to the sides of the wall. The general behavior of a composite concrete-steel shear wall is dependent on the buckling of the steel plates that should be prevented. In this paper, the unilateral buckling of steel plates of a composite shear wall is studied using the Rayleigh-Ritz method. To model the unilateral buckling of steel plate, the restraining concrete wall is described as an elastic foundation with high stiffness in compression and zero stiffness in tension. To consider the effect of bolt connections on the plate's buckling, a constrained optimization problem is solved by using Lagrange multipliers method. This process is used to obtain the critical elastic local buckling coefficients of unilaterally-restrained steel plates with various numbers of bolts, subjected to pure compression, bending and shear loading, and the interaction between them. Using these results, the spacing between shear bolts in composite steel plate shear walls is estimated and compared with the results of the AISC seismic provisions (2016). The results show that the AISC seismic provisions(2016) are overly conservative in obtaining the spacing between shear bolts.
This paper is developed a computer program to analysis the elastic local and overall buckling stress based on Eurocode 3 Part 1.3 for the flange and web, and Euler equations for columns of cold-formed channel under compression at elevated temperatures. The high temperature stress-strain relationships of steel used this paper are determined according to Eurocode 3 Part 1.2. Critical temperatures and the elastic local buckling stresses of the cold-formed channel columns under compression at elevated temperatures are analysed by the computer program developed in this study. Analysis examples are given to show the applicability of the computer program developed in this study.
Conventional plate I-girders are sensitive to local buckling of the web when they are subjected mainly to shear action because the slenderness of the web in out-of-plane direction is much bigger. The local buckling of the web can also cause the distorsion of the plate flange under compression as a thin-walled plate has very low torsional stiffness due to its open section. A new I-girder consisted of corrugated web, a concrete-filled rectangular tubular flange under compression and a plate flange under tension is presented to improve its resistance to local buckling of the web and distorsion of the flat plate flange under compression. Experimental tests on a conventional plate I-girder and a new presented I-girder are conducted to study the failure process and the failure mechanisms of the two specimens. Strain developments at some critical positions, load-lateral displacement curves, and load-deflection curves of the two specimens have all be measured and analyzed. Based on these results, the failure mechanisms of the two kinds of I-girders are discussed.
Many novel materials exhibit a property of different elastic moduli in tension and compression. One such material is graphene, a wonder material, which has the highest strength yet measured. Investigations on buckling problems for structures with different moduli are scarce. To address this new problem, firstly, the nondimensional expression of the relation between offset of neutral axis and deflection curve is derived based on the phased integration method, and then using the energy method, load-deflection relation of the rod is determined; Secondly, based on the improved constitutive model for different moduli, large deformation finite element formulations are developed and combined with the arc-length method, finite element iterative program for rods with different moduli is established to obtain buckling critical loads; Thirdly, material mechanical properties tests of graphite, which is the raw material of graphene, are performed to measure the tensile and compressive elastic moduli, moreover, buckling tests are also conducted to investigate the buckling behavior of this kind of graphite rod. By comparing the calculation results of the energy method and finite element method with those of laboratory tests, the analytical model and finite element numerical model are demonstrated to be accurate and reliable. The results show that it may lead to unsafe results if the classic theory was still adopted to determine the buckling loads of those rods composed of a material having different moduli. The proposed models could provide a novel approach for further investigation of non-linear mechanical behavior for other structures with different moduli.
Finite element buckling analysis of insulated transition flue ducts is carried out to determine the critical buckling load multipliers when subjected to axial compression for design process. Through this investigation, the results of numerical computations to examine the buckling strength for different possible duct shapes (cylinder, and circular-to-square) are presented. The load multipliers are determined through detailed buckling analysis taking into account the effects of geometrical construction and duct plate thickness which have great influence on the buckling load. Enhancement in the buckling capacity of such ducts by the addition of horizontal and vertical stiffeners is also investigated. Several models with varying dimensions and plate thicknesses are examined to obtain the linear buckling capacities against duct dimensions. The percentage improvement in the buckling capacity due to the addition of vertical stiffeners and horizontal Stiffeners is shown to be as high as three times for some cases. The study suggests that the best location of the horizontal stiffener is at 0.25 of duct depth from the bottom to achieve the maximum buckling capacity. A design equation estimating the buckling strength of geometrically perfect cylindrical-to-square shell is developed by using regression analysis accurately with approximately 4% errors.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.1
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pp.15-22
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2011
Pultruded fiber reinforced polymeric plastic (PFRP) structural members may be one of attractive alternatives of the structural members in the civil engineering applications because of its many advantageous mechanical properties. However, they have relatively low modulus of elasticity and also cross-sections of structural shapes are composed of thin plate components such as flange and web. Therefore, structural stability is an important issue in the design of pultruded structural compression members. For the design of pultruded structural member under compression, buckling and post-buckling strengths of plate components may be taken into account. In the structural steel design following AISC/LRFD, in addition to the buckling strength, the nonuniform stress distribution in the section is incorporated with a form factor. In this paper, the form factor for the design of PFRP structural member under compression is investigated through the analytical study. Furthermore, the process for the determination of the form factor is suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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