In this paper a boundary element method is developed for the general flexural-torsional buckling analysis of Timoshenko beams of arbitrarily shaped cross section. The beam is subjected to a compressive centrally applied concentrated axial load together with arbitrarily axial, transverse and torsional distributed loading, while its edges are restrained by the most general linear boundary conditions. The resulting boundary value problem, described by three coupled ordinary differential equations, is solved employing a boundary integral equation approach. All basic equations are formulated with respect to the principal shear axes coordinate system, which does not coincide with the principal bending one in a nonsymmetric cross section. To account for shear deformations, the concept of shear deformation coefficients is used. Six coupled boundary value problems are formulated with respect to the transverse displacements, to the angle of twist, to the primary warping function and to two stress functions and solved using the Analog Equation Method, a BEM based method. Several beams are analysed to illustrate the method and demonstrate its efficiency and wherever possible its accuracy. The range of applicability of the thin-walled theory and the significant influence of the boundary conditions and the shear deformation effect on the buckling load are investigated through examples with great practical interest.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.6A
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pp.399-409
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2012
The flexural behavior of HSB plate girder with a non-slender web, due to inelastic lateral-torsional buckling, under uniform bending was investigated by the nonlinear finite element analysis. Both homogeneous sections fabricated from SM570-TMC, HSB600 or HSB800 steel and hybrid sections with HSB800 flanges and SM570-TMC web were considered. The flanges and web of selected noncomposite I-girders were modeled as thin shell elements and the geometrical and material nonlinear finite element analysis was performed by the ABAQUS program. The steel was assumed as an elasto-plastic strain hardening material. Initial imperfections and residual stresses were taken into account and their effects on the inelastic lateral-torsional buckling behavior were analyzed. The flexural strengths of selected sections obtained by the finite element analysis were compared with the nominal flexural strengths from KHBDC LSD, AASHTO LRFD, and Eurocode and the applicability of these codes in predicting the inelastic lateral torsional buckling strength of HSB plate girders with a non-slender web was assessed.
Nasam S. Khater;Mahmoud H. El-Boghdadi;Nashwa M. Yossef
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.225-241
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2024
For several reasons, cold-formed steel (CFS) beams are often manufactured with holes. Nevertheless, because of holes, the reduction in the web area causes a decrease in the bending strength. Edge stiffeners are presently added around the holes to improve the bending strength of flexural members. Therefore, this research studies CFSZ-beams with stiffened holes and investigates how edge stiffener affects bending strength and failure modes. Nonlinear analysis was carried out using ABAQUS software and the developed finite element (FE) model was verified against tests from previous studies. Using the verified FE model, a parametric study of 104 FE models was conducted to investigate the influence of key parameters on bending strength of Z- sections. The results indicated that the effect of holes is less noticeable in very thin Z-sections. Moreover, adding edge stiffeners around the holes improves the flexural capacity of Z-beams and sometimes restores the original bending capacity. Because the computational techniques used to solve the CFS buckling mode with stiffened holes are still unclear, a numerical method using constrained and unconstrained finite strip method (CUFSM) software was proposed to predict the elastic distortional buckling moment for a wide variety of CFSZ-sections with stiffened holes. A numerical method with two procedures was applied and validated. Upon comparison, the numerical method accurately predicted the distortional buckling moment of CFS Z-sections with stiffened holes.
This article presents the behaviour and design of cold-formed steel (CFS) web-stiffened lipped channel beams that primarily fail owing to the buckling interaction of distortional and global buckling modes. The incorporation of an intermediate stiffener in the web of the lipped channel improved the buckling performance leads to distortional buckling at intermediate length beams. The prediction of the strength of members that fail in individual buckling modes can be easily determined using the current DSM equations. However, it is difficult to estimate the strength of members undergoing buckling interactions. Special attention is required to predict the strength of the members undergoing strong buckling interactions. In the present study, the geometric dimensions of the web stiffened lipped channel beam sections were chosen such that they have almost equal distortional and global buckling stresses to have strong interactions. A validated numerical model was used to perform a parametric study and obtain design strength data for CFS web-stiffened lipped channel beams. Based on the obtained numerical data, an assessment of the current DSM equations and the equations proposed in the literature (for lipped channel CFS sections) is performed. Suitable modifications were also proposed in this work, which resulted in a higher level of design accuracy to predict the flexural strength of CFS web stiffened lipped channel beams undergoing distortional and global mode interaction. Furthermore, reliability analysis was performed to confirm the reliability of the proposed modification.
A linearised buckling analysis of thin-walled beams is addressed in this paper. Beam theories formulated according to a unified approach are presented. The displacement unknown variables on the cross-section of the beam are approximated via Mac Laurin's polynomials. The governing differential equations and the boundary conditions are derived in terms of a fundamental nucleo that does not depend upon the expansion order. Classical beam theories such as Euler-Bernoulli's and Timoshenko's can be retrieved as particular cases. Slender and deep beams are investigated. Flexural, torsional and mixed buckling modes are considered. Results are assessed toward three-dimensional finite element solutions. The numerical investigations show that classical and lower-order theories are accurate for flexural buckling modes of slender beams only. When deep beams or torsional buckling modes are considered, higher-order theories are required.
Numerical solution to buckling analysis of beams and columns are obtained by the method of differential quadrature (DQ) and harmonic differential quadrature (HDQ) for various support conditions considering the variation of flexural rigidity. The solution technique is applied to find the buckling load of fully or partially embedded columns such as piles. A simple semi- inverse method of DQ or HDQ is proposed for determining the flexural rigidities at various sections of non-prismatic column ( pile) partially and fully embedded given the buckling load, buckled shape and sub-grade reaction of the soil. The obtained results are compared with the existing solutions available from other numerical methods and analytical results. In addition, this paper also uses a recently developed technique, known as the differential transformation (DT) to determine the critical buckling load of fully or partially supported heavy prismatic piles as well as fully supported non-prismatic piles. In solving the problem, governing differential equation is converted to algebraic equations using differential transformation methods (DT) which must be solved together with applied boundary conditions. The symbolic programming package, Mathematica is ideally suitable to solve such recursive equations by considering fairly large number of terms.
The analysis and tests of thin-walled channel frames including nonlinear flexible or semi-rigid connection behaviour is presented. The semi-rigid connection behaviour is modelled using a mathematical approximation of the connection flexibility-moment relationship. Local instability such as local buckling and torsional flexural buckling of the member are included in the analysis. The full response of the frame, up to the collapse load, can be predicted. Experimental investigation was carried out on a series of simple double storey symmetrical frames with the purpose of verifying the accuracy and validity of the analysis. Agreement between the theoretical and experimental results is acceptable. The investigation also shows that connection flexibility and local instability such as local buckling and torsional flexural buckling can affect the behaviour and strength of thin-walled frames significantly. The results can also provide further insight into the advanced study of practical structures where interaction between flexible connections and phenomenon associated with thin-walled members are present.
Moon, Ji Ho;Yoon, Ki Yong;Kim, Sung Hoon;Lee, Hak Eun
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.2
s.75
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pp.161-171
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2005
When the in-plane flexural rigidity is small in relation to the applied load, the arch ribs may buckle to the in-plane direction. Designers should therefore determine the in-plane buckling strength. To determine the buckling strength of arch ribs, designers have to consider the material nonlinear response. But in the case of arch ribs having large slenderness ratio, arch ribs may buckle in the elastic range, and when the arch ribs have low slenderness ratio, elastic buckling strength is useful in the preliminary design. In this paper, elastic buckling strength of arch ribs, which are frequently used in practical design, is studied using nonlinear finite element method. In general, the relation between flexural rigidity and elastic buckling strength is linear. As seen from the results, however, when the arch ribs have low slenderness ratio, the relation between flexural rigidity and elastic buckling strength is nonlinear.
In this research, the analysis of post-buckling behavior of tapered columns has been performed under a combined load of uniformly distributed axial load along the length and concentric axial load at free end by solving the nonlinear differential equation with the differential transformation technique. The buckling load at various slopes at free end of column is calculated and the results of the analysis using the differential transformation technique is verified with those of previous studies. It is also shown through the results that the buckling load of sinusoidal tapered columns is largest, the linear is second largest, and the parabolic is small in the all ranges of slopes at free end and the deflection of parabolic tapered columns in the x coordinates is largest, the sinusoidal is second largest, and the linear is smallest in the range of slope 0 to 140 degrees at free end. However, when the range of the slope is 160 to 176 degrees at the free end, the deflection of sinusoidal tapered columns in the x coordinates is largest, the linear is second largest, and the parabolic is smallest. In addition, for the linear tapered column, the buckling load increases along with the flexural stiffness ratio. Also, for the parabolic and the sinusoidal tapered column, the buckling loads increase and decrease as the flexural ratios increase in the range of flexural stiffness ratio n = 1.0 to n = 2.0. Through this research, it is verified that the differential transformation technique can be applied to solve the nonlinear differential equation problems, such as analysis of post-buckling behavior of tapered columns. It is also expected that the differential transformation technique apply to various more complicated problems in future.
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%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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