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.
Single angle or channel with thin-walled open section can be used as compression member for example as web member in truss. In this case the inevitable eccentricity due to fabrication is commonly neglected in structural design. However eccentricity effect should be considered in the member design, especially in case of compression member. The critical loads of compression members that buckle by twisting or by a combination of bending and twisting are to be determined by solving governing differential equations. In this paper, the investigations are limited to the rolled channels([), equal-leg angles(L), lipped channels(C) and the applied loads are assumed to have some eccentricities.
Beam-columns are structural members subjected to a combination of axial and bending forces. Lateral-torsional buckling is one of the main failure modes. Beam-columns that are bent about its strong axis may buckle out of the plane by deflecting laterally and twisting as the values of the applied loads reach a limiting state. Lateral-torsional buckling failure occurs suddenly in beam-column elements with a much greater in-plane bending stiffness than torsional or lateral bending stiffness. This study intends to establish a unique convenient closed-form equation that it can be used for calculating critical elastic lateral-torsional buckling load of beam-column in the presence of a known axial load. The presented equation includes first order bending distribution, the position of the loads acting transversely on the beam-column and mono-symmetry property of the section. Effects of axial loads, slenderness and load positions on lateral torsional buckling behavior of beam-columns are investigated. The proposed solutions are compared to finite element simulations where thin-walled shell elements including warping are used. Good agreement between the analytical and the numerical solutions is demonstrated. It is found out that the lateral-torsional buckling load of beam-columns with mono-symmetric sections can be determined by the presented equation and can be safely used in design procedures.
A procedure for critical buckling moment of a tapered beam is proposed with the application of potential energy calculations using Ritz method. Respective solution allows to obtain critical moments initiating lateral buckling of the simply supported, modestly tapered steel I-beams. In particular, lateral-torsional buckling of beams with simultaneously tapered flanges and the web are considered. Detailed, numerical, parametric analyses are carried out. Typical engineering, uniformly distributed design loads are considered for three cases of the load, applied to the top flange, shear centre, as well as to the bottom flange. In addition simply supported beam under gradient moments is investigated. The parametric analysis of simultaneously tapered beam flanges and the web, demonstrates that tapering of flanges influences much more the critical moments than tapering of the web.
In this paper we deal with stability problems of any complex structure that can be modeled by beam and shell finite elements. We use for illustration the steel plate girders, which are used in bridge construction, and in industrial halls or building construction. Long spans, slender cross sections exposed to heavy loads, are all critical design points engineers must take into account. Knowing the critical load that will cause lateral torsional buckling of the girder, or load that can lead to web buckling, as an important scenario to consider in a design process.Many of such problem, including lateral torsional buckling with influence of lateral supports and their spacing on critical load can be solved by the proposed method. An illustrative study of web buckling also includes effects of position and spacing of transverse and longitudinal web stiffeners, where stiffeners can be modelled optionally using shell or frame elements.
This study considers the buckling of orthotropic cylindrical thin shells with material nonhomogeneity in the thickness direction, under torsion, which is a power function of time. The dynamic stability and compatibility equations are obtained first. Applying Galerkin's method then applying Ritz type variational method to these equations and taking the large values of loading parameters into consideration, analytic solutions are obtained for critical parameter values. Using those results, the effects of the periodic and power variations of Young's moduli and density, ratio of Young's moduli variations, loading parameters variations and the power of time in the torsional load expression variations are studied via pertinent computations. It is concluded that all these factors contribute to appreciable effects on the critical parameters of the problem in question.
In this study, theoretical models and design procedures of the behavior of thin-walled simply supported steel beams with an open cross section under a large torsional effect are presented. I-sections were chosen as the cross section types. Firstly, the widely used differential equations for the lateral buckling for the pure bending moment effect in a beam element were adopted for the various moment distributions along the span of the beam. This solution was obtained for both mono-symmetric and bisymmetric sections. The buckling loads were then obtained by using the energy method. When using the energy method to solve the problem, it is possible to locate the load not only on the shear center but also at several points of the section depth. Buckling loads were obtained for six different load types. Results obtained for different load and cross section types were checked with ABAQUS software and compared with several standard rules.
Ziane, Noureddine;Meftah, Sid Ahmed;Ruta, Giuseppe;Tounsi, Abdelouahed;Adda Bedia, El Abbas
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.3
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pp.579-595
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2015
A general geometrically non-linear model for lateral-torsional buckling of thick and thin-walled FGM box beams is presented. In this model primary and secondary torsional warping and shear effects are taken into account. The coupled equilibrium equations obtained from Galerkin's method are derived and the corresponding tangent matrix is used to compute the critical moments. General expression is derived for the lateral-torsional buckling load of unshearable FGM beams. The results are validated by comparison with a 3D finite element simulation using the code ABAQUS. The influences of the geometrical characteristics and the shear effects on the buckling loads are demonstrated through several case studies.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.489-496
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2002
The lateral buckling of a laminated composite beam is studied. A general analytical model applicable to the lateral buckling of a composite beam subjected to various types of loadings is derived. This model is based on the classical lamination theory, and accounts for the material coupling for arbitrary laminate stacking sequence configuration and various boundary conditions. The effects of the location of applied loading on the buckling capacity are also included in the analysis. A displace-based one-dimensional finite element model is developed to predict critical loads and corresponding buckling modes for a thin-walled composite beam with arbitrary boundary conditions. Numerical results are obtained for thin-walled composites under central point load, uniformly distributed load, and pure bending with angle-ply and laminates. The effects of fiber orientation location of applied load, and types of loads on the critical buckling loads are parametrically studied.
This paper presents a rotordynamic analysis of the reduction gear system applied to the 250 kW super critical CO2 cycle. The reduction gear system consists of an input shaft, intermediate shaft, and output shaft. Because of the high rotating speed of the input shaft, we install tilting pad bearings, rolloer bearings support the intermediate and output shafts. To predict the tilting pad bearing performance, we calculate the applied loads to the tilting pad bearings by considering the reaction forces from the gear. In the rotordynamic analysis, gear mesh stiffness results in a coupling effect between the lateral and torsional vibrations. The predicted Campbell diagram shows that there is not a critical speed lower than the rated speed of 30,000 rpm of the input shaft. The predicted modes on the critical speeds are the combined bending modes of the intermediate and output shaft, and the lateral vibrations dominate when compared to the torsional vibrations. The damped natural frequency does not strongly depend on the rotating speeds, owing to the relatively low rotating speed of the intermediate and output shaft and constant stiffness of the roller bearing. In addition, the logarithmic decrements of all the modes are positive; therefore all modes are stable.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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