Geometric imperfections have an important influence on the buckling response of structural components. This paper describes an experimental technique for determining imperfections in long (5.7 m) structural members using a series of overlapping measurements. Measurements were performed on 31 austenitic stainless steel sections formed from three different production routes: hot-rolling, cold-rolling and press-braking. Spectral analysis was carried out on the imperfections to obtain information on the periodic nature of the profiles. Two series were used to model the profile firstly the orthogonal cosine and sine functions in a classic Fourier transform and secondly a half sine series. Results were compared to the relevant tolerance standards. Simple predictive tools for both local and global imperfections have been developed to enable representative geometric imperfections to be incorporated into numerical models and design methods.
Aleksandra M. Pawlak;Tomasz A. Gorny;Michal Plust;Piotr Paczos;Jakub Kasprzak
Steel and Composite Structures
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제52권3호
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pp.327-341
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2024
This paper is the first in a series of articles dealing with the study and analysis of imperfections in thin-walled, cold-formed steel sections with modified cross-sectional shapes. A study was conducted, using 3D scanning techniques, to determine the most vulnerable geometric imperfections in the profiles. Based on a review of the literature, it has been determined that few researchers are studying thin-walled sections with modified cross-sectional shapes. Each additional bend in the section potentially generates geometric imperfections. Geometric imperfections significantly affect the resistance to loss of stability, which is crucial when analyzing thin-walled structures. In addition, the most critical locations along the length where these imperfections occur were determined. Based on the study, it was found that geometric imperfections cause a reduction in critical load. It should be noted that the tests performed are preliminary studies, based on which a program of further research will be developed. In addition, the article presents the current state of knowledge in the authors' field of interest. The future objective is to ascertain if these imperfections could potentially contribute positively to structural integrity. This enhanced understanding may pave the way for novel methodologies in structural engineering, wherein imperfections are viewed not solely as flaws but also as elements that could enhance the end product.
A newly developed cellular metal based on kagome lattice is an ideal candidate for multifunctional materials achieving various optimal properties. Intensive efforts have been devoted to develop efficient techniques for mass production due to its wide potential applications. Since a variety of imperfections would be inevitably included in the realistic fabrication processes, it is highly important to examine the correlation between the imperfections and material strengths. Previous performance tests were mostly done by numerical simulations such as finite element method (FEM), but only for perfect structures without any imperfection. In this paper, we developed an efficient numerical framework using nonlinear random network analysis (RNA) to verify how the statistical imperfections (geometrical and material property) contribute to the performance of general truss structures. The numerical results for kagome truss structures are compared with experimental measurements on 3-layerd WBK (wire-woven bulk kagome). The mechanical strength of the kagome structures is shown relatively stable with the Gaussian types of imperfections.
A newly developed cellular metal based on kagome lattice is an ideal candidate for multifunctional materials achieving various optimal properties. Intensive efforts have been devoted to develop efficient techniques for mass production due to its wide potential applications. Since a variety of imperfections would be inevitably included in the realistic fabrication processes, it is highly important to examine the correlation between the imperfections and material strengths. Previous performance tests were mostly done by numerical simulations such as finite element method (FEM), but only for perfect structures without any imperfection. In this paper, we developed an efficient numerical framework using nonlinear random network analysis (RNA) to verify how the statistical imperfections (geometrical and material property) contribute to the performance of general truss structures. The numerical results for kagome truss structures are compared with experimental measurements on 3-layerd WBK (wire-woven bulk kagome). The mechanical strength of the kagome structures is shown relatively stable with the Gaussian types of imperfections.
Arasaratnam, P.;Sivakumaran, K.S.;Rasmussen, Kim J.R.
Steel and Composite Structures
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제6권6호
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pp.531-555
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2006
H-shaped welded steel column members are fabricated by welding together pre-cut flanges and the web. Modern fabricators are increasingly using plasma-cutting technique instead of traditional flame cutting. Different fabrication techniques result in different degrees of geometric imperfections and residual stresses, which can have considerable influence on the strength of steel columns. This paper presents the experimental investigation based temperature profiles, geometric imperfections, and built-in residual stresses in plasma cut-welded H-shaped steel column members and in similar flame cut-welded H-shaped steel columns. Temperature measurements were taken during and immediately after the cutting operations and the welding operations. The geometric imperfections were established at closely spaced grid locations on the original plates, after cutting plates into plate strips, and after welding plate strips into columns. Geometric imperfections associated with plasma cut element and members were found to be less than those of the corresponding elements and members made by flame cutting. The "Method of Section" technique was used to establish the residual stresses in the plate, plate strip, and in the welded columns. Higher residual stress values were observed in flame cut-welded columns. Models for idealized residual stress distributions for plasma cut and flame cut welded sections have been proposed.
The existence of initial imperfections in manufacturing or assembly of double-layer space structures having hundreds or thousands of members is inevitable. Many of the imperfections, such as the initial curvature of the members and residual stresses in members, are all random in nature. In this paper, the probabilistic effect of initial curvature imperfections in the load bearing capacity of double-layer grid space structures with different types of supports have been investigated. First, for the initial curvature imperfection of each member, a random number is generated from a gamma distribution. Then, by employing the same probabilistic model, the imperfections are randomly distributed amongst the members of the structure. Afterwards, the collapse behavior and the ultimate bearing capacity of the structure are determined by using nonlinear push down analysis and this procedure is frequently repeated. Ultimately, based on the maximum values of bearing capacity acquired from the analysis of different samples, structure's reliability is obtained by using Monte Carlo simulation method. The results show the sensitivity of the collapse behavior of double-layer grid space structures to the random distribution of initial imperfections and supports type.
In this study, a computer program considering shape imperfections of arch under dynamic loading was developed. The shape imperfection of arch was assumed as higher degree polynomial expressed as $\omega$$_{i}$ = $\omega$$_{o}$ (1-(2$\chi$/L)$^{m}$ )$^n$and sinusoidal curve such as $\omega$$_{i}$ = $\omega$$_{o}$ sin(η$\pi$$\chi$/L). In finite element formulation, the material nonlinear behavior was assumed the elasto-viscoplastic model highly corresponding to the real behavior of the material and the geometrically nonlinear behavior was modeled using Lagrangian description of motion. Also, the behavior of steel was modeled by applying yield criteria of Von Mises. The developed program was applied to the analysis of the dynamic behavior for the clamped beam subjected to the concentrated load at midspan and the results were compared with those from other research to investigate accuracy of the presented finite element program. In numerical examples, the shape imperfections of L/500, L/1,000 and L/2,000 were considered and the modes of shape imperfections of the symmetric and antisymmetric were adopted. The effects of the shape imperfections on the dynamic behavior of arch were conspicuous and results of analysis indicate that the reasonable values of arch rise to arch span ratio ranged between 0.1 and 0.3.
Dar, M. Adil;Anbarasu M.;Dar, A.R.;Islam, Naqeeb Ul;Ghowsi, Ahmad Fayeq;Carvalho, Hermes
Steel and Composite Structures
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제42권4호
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pp.447-458
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2022
Cold-formed steel (CFS) sections are thin-walled, therefore, more susceptible to different types of geometric imperfections. Global type of geometric imperfections has a significant impact on the load-carrying capacity of flexural members. This paper reports an experimental study that discusses the influence of global imperfections on the flexural response of CFS built-up I-beams composed of two lipped channels, with simply supported ends, under four-point loading. Global imperfections of magnitude over eight times the maximum permissible ones were induced in the specimens, leading to their distress. Using various simple stiffening schemes, the capacity and stiffness of the distressed specimens were improvised. The performance comparisons were made based on the maximum loads resisted, flexural stiffnesses offered, and failure modes experienced by the specimens. As experimental data on such distressed specimens are currently lacking in the literature, the test results of the present study will provide the necessary data needed by future researchers to numerically extend this study further, which will help in the development of necessary design guidelines for the same. The stiffening schemes significantly improved the structural efficiency of distressed specimens in terms of strength and stiffness, by over 60%. As a result, an effective and time-saving solution to such realistic structural engineering problems is given.
The effect of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the thin-walled members subjected to the axial loads, obtained by the finite element stability analysis, are examined. As the initial imperfections, the bucking mode shapes of the members are adopted. The buckling mode shapes of the thin-walled members are obtained by the transfer matrix method. In the finite element stability analysis, isoparametric degenerated shell element is used, and the geometrical and material nonlinearity are considered based on the Green Lagrange strain definition and the Prandtl-Reuss stress-strain relation following the von Mises yield criterion. The U-, box- and I-section members subjected to the axial loads are adopted for numerical examples, and the effects of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the members are examined.
Initial imperfections, such as initial deflection or remaining stress, cause deterioration of buckling strength of structures. The Koiter imperfection sensitivity law has been extended to describe the mechanism of reduction for structures. The extension is twofold: (1) a number of imperfections are considered, and (2) the second order (minor) imperfections are implemented, in addition to the first order (major) imperfections considered in the Koiter law. Yet, in reality, the variation of external loads is dominant over that of imperfection. In this research, probabilistic evaluation of buckling loads against external loads subjected to probabilistic variation is conducted by extending the concept of imperfection sensitivity. A truss arch subjected to dead and live loads is considered as a numerical example. The mechanism of probabilistic variation of buckling strength of this arch is described by the proposed method, and its reliability is evaluated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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