An efficient numerical method is developed to estimate the elasto-plastic post-buckling strength of space-framed structures. The inelastic ultimate strength of beam-columns and frames is evaluated by the parametric study. Applying the improved plastic hinge analysis that evaluate the gradual stiffness decrease effects due to spread of plasticity, elasto-plastic post-buckling behavior of steel frames is investigated considering the various residual stress distributions. Introducing the plastification parameter that represent pread of plasticity in the element and performing parametric study of equivalent element force and member idealization, finite-element solutions for the elasto-plastic analysis of space frames are compared with the results by plastic region analysis, shell elements and experimental results.
To perform performance-based seismic design of buildings, it is necessary clear goal for usage and stability after an earthquake. To clear this goal, it requires a review of the constituent material of the building and, in particular, a member used as an indicator of the residual strain is useful. There are more usage of prestressed concrete because of prestressing steel witch has characteristics of the origin-oriented. In this study, the goal is estimating of residual strain on the prestressed concrete beam member. The expression for angle of deformed prestressed concrete beam member was obtained from using of curvature on the critical section and the equivalent plastic hinge length based on 'equivalent plastic hinge length method'. Considering the balance of strength and deformation conditions, suitable analysis values were derived from 'split Element Method'. Through various parametric studies, various factors affecting the residual strain were decided. Based on the results of this study, it is expected many researches will be proceed in the future.
In this paper, free vibration finite element analysis of axially moving laminated composite beams subjected to axial tension is studied. It is assumed that the beam has a constant axial velocity and is subject to uniform axial tension. The analysis is based on higher-order theories that have been presented by Carrera Unified Formulation (CUF). In the CUF technique, the three dimensional (3D) displacement fields are expressed as the approximation of the arbitrary order of the displacement unknowns over the cross-section. This higher-order expansion is considered in equivalent single layer (ESL) model. The governing equations of motion are obtained via Hamilton's principle. Finally, several numerical examples are presented and the effect of the ply-angle, travelling speed and axial tension on the natural frequencies and beam stability are demonstrated.
Almitani, Khalid H.;Abdelrahman, Alaa A.;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.32
no.5
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pp.643-655
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2019
Perforation and cutouts of structures are compulsory in some modern applications such as in heat exchangers, nuclear power plants, filtration and microeletromicanical system (MEMS). This perforation complicates dynamic analyses of these structures. Thus, this work tends to introduce semi-analytical model capable of investigating the dynamic performance of perforated beam structure under free and forced conditions, for the first time. Closed forms for the equivalent geometrical and material characteristics of the regular square perforated beam regular square, are presented. The governing dynamical equation of motion is derived based on Euler-Bernoulli kinematic displacement. Closed forms for resonant frequencies, corresponding Eigen-mode functions and forced vibration time responses are derived. The proposed analytical procedure is proved and compared with both analytical and numerical analyses and good agreement is noticed. Parametric studies are conducted to illustrate effects of filling ratio and the number of holes on the free vibration characteristic, and forced vibration response of perforated beams. The obtained results are supportive in mechanical design of large devices and small systems (MEMS) based on perforated structure.
This paper presents an innovative theoretical and numerical model to predict the lateral-torsional buckling (LTB) of simply supported steel I-beams with external prestressed tendons. The model incorporates an updated prestressing force, accounting for thermal effects and various external loadings. Critical multipliers are determined by solving an eigenvalue problem derived from applying Galërkin's approach to a set of nonlinear equilibrium equations. Validation is carried out through Finite Element Method (FEM) simulations, incorporating a new expression for an equivalent thermal expansion coefficient for the beam-tendon system, addressing both mechanical and thermal deformations. The primary aim is to estimate critical conditions considering material property degradation due to fire. The present results are generally in good agreement with those provided by the literature.
The component method is an analytical approach for investigating the moment-rotation relationship of steel connections. In this study, the component method was improved from two aspects: (i) load analysis of mechanical model; and (ii) combination of spring elements. An optimized component method with more reasonable component models, spring arrangement position, and boundary conditions was developed using finite element analysis. An experimental testing program in two major-axis and two minor-axis connections under symmetrically loading was carried out to verify this method. The initial rotational stiffness obtained from the optimized component method was consistent with the experimental results. It can be concluded that (i) The coupling stiffness between column and beam flanges significantly affects the effective height of the tensile-column web. (ii) The mechanical properties of the bending components were obtained using an equivalent t-stub model considering the bending capacity of bolts. (iii) Using the optimized mechanical components, the initial rotational stiffness was accurately calculated using the spring system. (iv) The characteristics of moment-rotation relationship for beam to column connections were effectively expressed by the SPRING element analysis model using ABAQUS. The calculations are simpler, and the results are accurate.
Habibi, Alireza;Ghawami, Fouad;Shahidzadeh, Mohammad S.
Computers and Concrete
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v.18
no.5
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pp.983-998
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2016
Structural optimization is one of the most important topics in structural engineering and has a wide range of applicability. Therefore, the main objective of the present study is to apply the Lagrange Multiplier Method (LMM) for minimum cost design of singly and doubly reinforced rectangular concrete beams. Concrete and steel material costs are used as objective cost function to be minimized in this study, and ultimate flexural strength of the beam is considered to be as the main constraint. The ultimate limit state method with partial material strength factors and equivalent concrete stress block is used to derive general relations for flexural strength of RC beam and empirical coefficients are taken from topic 9 of the Iranian National Building Regulation (INBR9). Optimum designs are obtained by using the LMM and are presented in closed form solutions. Graphical representation of solutions are presented and it is shown that proposed design curves can be used for minimum cost design of the beams without prior knowledge of optimization and without the need for iterative trials. The applicability of the proposed relations and curves are demonstrated through two real life examples of SRB and DRB design situations and it is shown that the minimum cost design is actually reached using proposed method.
Kim Sung-Eock;Choi Dong-Ho;Ma Sang-Soo;Song Weon-Keun
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.3
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pp.277-289
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2005
The study examines the limit strength for steel cable-stayed bridges. A case studies have been performed in order to evaluate the limit strength lot steel cable-stayed bridges using nonlinear inelastic analysis approach and bifurcation point instability analysis approach, effective tangent modulus $(E_f)$ method. To realize it, a practical nonlinear inelastic analysis condoling the initial shape is developed. In the initial shape analysis, updated structural configuration is introduced instead of initial member forces for beam-column members at every iterative step. Geometric and material nonlinearities of beam-column members are accounted by using stability function, and by using CRC tangent modulus and parabolic function, respectively Besides, geometric nonlinearity of cable members is accounted by using secant value of equivalent modulus of elasticity. The load-displacement relationships obtained by the proposed method are compared well with those given by other approaches. The limit strengths evaluated by the proposed nonlinear inelastic analysis for the proposed cable-stayed bridges with tee dimensional configuration compared with those by the inelastic bifurcation point instability analyses.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.4
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pp.639-647
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2002
A simplified analytical procedure is presented to estimate the reduction of elastic lateral stiffness of steel moment frames arising from the radius-cut dogbone weakening. With the original radius-cut dogbone shape, it is almost impossible or too complicated to integrate analytically the mathematical expressions encountered when applying the conjugate beam method to compute the beam deflection component. In this study, the problem is circumvented by replacing the original radius-cut dogbone with an equivalent dogbone of constant width. The equivalence between the two is established by imposing an equal dogbone elongation criterion. This approach is justified by using a calibrated finite clement analysis. Then, the elastic lateral deflection components from the column, panel zone, and beam are derived for a typical beam-column subassembly. The derived results can be used to evaluate the reduction of the frame lateral stiffness. Case studies conducted within some practical ranges of frame configurations show that the reduction in frame lateral stiffness due to the presence of dogbone cut is on the order of 1 to 2 percent and is reasonably negligible in practical sense.
Analytical methods for assessment of the out-of-plane buckling of unbraced top chords of truss bridges may look obsolete while comparing them to finite element analysis. However they are, usually, superior when rapid assessment is necessary. Analytical methods consider the top chord as a bar on elastic supports provided by bracing (Holt, Timoshenko). Correct assessment of the support elasticity (stiffness) is crucial. In the case of truss bridge spans of traditional structural layout (cross-beams at the truss chord nodes only), the elasticity may be set based on the analysis of the, so called, U-frame stiffness. Here the analyses consider the U-frame itself (a pair of verticals and a cross-beam) or the U-frame with adjacent diagonals or the pair of diagonals (in the absence of verticals) and the members of the bottom chord in the adjacent panels. For all the cases, the stability analysis of the chord as a bar in compression is necessary. Unfortunately, the method cannot be applied to contemporary truss bridges without verticals, that usually have independent cross-beam decks (the cross-beams attached to truss chords at their nodes and between them). This is the motivation for the analysis resulting in the method of setting the stiffness of the equivalent U-frame for the aforementioned truss bridges. Truss girders of both, gussetless and gusseted, joints are taken into account.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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