Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. Reducing the flange-web slenderness ratios (FSR/WSR) of beams is the most effective way in mitigating local member buckling as stipulated in the latest seismic design specifications. However, existing steel moment frame buildings with beams that lack the adequate slenderness ratios set forth for new buildings are vulnerable to local member buckling and thereby system-wise instability prior to reaching the required plastic rotation capacities specified for new buildings. This paper presents results from a research study investigating the cyclic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch at the bottom flange and reinforced with glass fiber reinforced polymers at the plastic hinge region. Cantilever I-sections with a triangular haunch at the bottom flange and flange slenderness ratios higher then those stipulated in current design specifications were analyzed under reversed cyclic loading. Beam sections with different depth/width and flange/web slenderness ratios (FSR/WSR) were considered. The effect of GFRP thickness, width, and length on stabilizing plastic local buckling was investigated. The FEA results revealed that the contribution of GFRP strips to mitigation of local buckling increases with increasing depth/width ratio and decreasing FSR and WSR. Provided that the interfacial shear strength of the steel/GFRP bond surface is at least 15 MPa, GFRP reinforcement can enable deep beams with FSR of 8-9 and WSR below 55 to maintain plastic rotations in the order of 0.02 radians without experiencing any local buckling.
This paper presents a study on the structural behaviour of modular steel scaffolds through both experimental and numerical investigations. Three one-storey and three two-storey modular steel scaffolds were built and tested to failure in order to examine the structural behaviour of typical modular steel scaffolds. Details of the tests and their test results were presented in this paper. Moreover, an advanced non-linear analysis method was employed to evaluate the load carrying capacities of these scaffolds under different support conditions. Comparisons between the experimental and the numerical results on the structural behaviour of these modular steel scaffolds were also presented. Moreover, the restraining effects of external supports in practical situations were also studied through finite element methods. The predicted load carrying capacities and deformations at failure of these models under partially restrained conditions were found to be close to the experimental results. A codified design method for column buckling with modified slenderness ratios was adopted for practical design of modular steel scaffolds.
The ultimate carrying capacity of axially loaded welded square box section members made of medium and high strength steels (nominal yield stresses varying from 345 MPa to 460 MPa), with large width-to-thickness ratios ranging from 35 to 70, is analyzed by finite element method (FEM). At the same time, the numerical results are compared with the predicted results using Direct Strength Method (DSM), modified DSM and Effective Yield Strength Method (EYSM). It shows that curve a, rather than curve b recommended in Code for design of steel structures GB50017-2003, should be used to check the local-overall interaction buckling strength of welded square section columns fabricated from medium and high strength steels when using DSM, modified DSM and EYSM. Despite all this, EYSM is conservative. Compared to EYSM and modified DSM, DSM provides a better prediction of the ultimate capacities of welded square box compression members with large width-thickness ratios over a wide range of width-thickness ratios, slenderness ratios and steel grades. However, for high strength steels (nominal yield strength greater than 460 MPa), the numerical and existent experimental results indicate that DSM overestimates the load-carrying capacities of the columns with width-thickness ratio smaller than 45 and slenderness ratio less than 80. Further, for the purpose of making it suitable for a wider scope, DSM has been modified (called proposed modified DSM). The proposed modified DSM is in excellent agreement with the numerical and existing experimental results.
Flange and web local buckling in beam plastic hinge regions of steel moment frames can prevent beam-column connections from achieving adequate plastic rotations under earthquake-induced forces. This threat is especially valid for existing steel moment frame buildings with beams that lack adequate flange/web slenderness ratios. As the use of fiber reinforced polymers (FRP) have increased in strengthening and repair of steel members in recent years, using FRPs in stabilizing local instabilities have also attracted attention. Previous computational studies have shown that longitudinally oriented glass FRP (GFRP) strips may serve to moderately brace beam flanges against the occurrence of local buckling during plastic hinging. An experimental study was conducted at Izmir Institute of Technology investigating the effects of GFRP reinforcement on local buckling behavior of existing steel I-beams with flange slenderness ratios (FSR) exceeding the slenderness limits set forth in current seismic design specifications and modified by a bottom flange triangular welded haunch. Four European HE400AA steel beams with a depth/width ratio of 1.26 and FSR of 11.4 were cyclically loaded up to 4% rotation in a cantilever beam test set-up. Both bare beams and beams with GFRP sheets were tested in order to investigate the contribution of GFRP sheets in mitigating local flange buckling. Different configurations of GFRP sheets were considered. The tests have shown that GFRP reinforcement can moderately mitigate inelastic flange local buckling.
This study investigates the buckling evaluation of connecting rods used in the diesel engine through finite element analysis. The Rankine formula, which is modified from classical Euler‘s formula, has been widely accepted in automotive industry to evaluate the buckling of connecting rods. Apparently, this formula is most suitable for the straight and idealized rod shape, and over-simplifies the geometric complexity associated with connecting rods. The subspace iteration method in FEA is used to predict the critical buckling stress of a connecting rod with certain slenderness ratio. To create models with various slenderness ratios for shank portion in the rod, the automatic meshing preprocessor was implemented. Results from FEA were verified by the experiments, in which the embedded strain gages measured for the connecting rod running at 4000rpm. The result indicates that the buckling prediction curve through FEA and experiment is effectively different from the curve of classical Rankine formula.
Reinforced concrete column is an effective structural element to take advantage of high strength concrete. This paper presents an experimental and analytical strength of high strength concrete rectangular tied column sections under eccentric loading. The test variables are concrete strength, steel ratios, slenderness and eccentricity. The analytical results of the ACI's rectangular stress block, Zia's modified rectangular stress block, and a trapezoid block are compared with experimentally obtained data. It may be concluded that the trapezoid stress block provided the most reasonable column section capacities for high strength concrete columns.
This study investigates the use of time-frequency coherence analysis for detecting and evaluating coherent "structures" of surface pressures and wind turbulence components, simultaneously on the time-frequency plane. The continuous wavelet transform-based coherence is employed in this time-frequency examination since it enables multi-resolution analysis of non-stationary signals. The wavelet coherence quantity is used to identify highly coherent "events" and the "coherent structure" of both wind turbulence components and surface pressures on rectangular prisms, which are measured experimentally. The study also examines, by proposing a "modified" complex Morlet wavelet function, the influence of the time-frequency resolution and wavelet parameters (i.e., central frequency and bandwidth) on the wavelet coherence of the surface pressures. It is found that the time-frequency resolution may significantly affect the accuracy of the time-frequency coherence; the selection of the central frequency in the modified complex Morlet wavelet is the key parameter for the time-frequency resolution analysis. Furthermore, the concepts of time-averaged wavelet coherence and wavelet coherence ridge are used to better investigate the time-frequency coherence, the coherently dominant events and the time-varying coherence distribution. Experimental data derived from physical measurements of turbulent flow and surface pressures on rectangular prisms with slenderness ratios B/D=1:1 and B/D=5:1, are analyzed.
The buckling of longitudinal reinforcements under seismic loading accelerates the degradation of the bearing capacity of reinforced concrete columns. The traditional hysteretic constitutive model of reinforcement, which does not consider buckling, usually overestimates the seismic performance of pier columns. Subsequent researchers have also proposed many models including the buckling effects. However, the accuracy of these hysteretic constitutive models proposed for simulating the buckling behavior is inadequate. In this study, based on their works, the influence of historical events on buckling is considered, the path of the re-tensioning phase is corrected by adjusting the boundary lines, and the positions of the onset buckling point and compressive buckling path during each buckling deformation are corrected by introducing correction parameters and a boundary line. A modified hysteretic constitutive model is obtained, that can more accurately reflect the buckling behavior of reinforcements. Finally, a series of hysteresis tests of reinforcements with different slenderness ratios were then conducted. The experimental results verify the effectiveness of the proposed modified model. Indicating that the modified model can more accurately simulate the equivalent stress-strain relationship of the buckling reinforcement segment.
This paper is concerned with effects of the wall flexibility on the seismic behavior of ground-supported cylindrical silos. It is a well-known fact that almost all analytical approximations in the literature to determine the dynamic pressure stemming from the bulk material assume silo structure as rigid. However, it is expected that the horizontal dynamic material pressures can be modified due to varying horizontal extensional stiffness of the bulk material which depends on the wall stiffness. In this study, finite element analyses were performed for six different slenderness ratios according to both rigid and flexible wall approximations. A three dimensional numerical model, taking into account bulk material-silo wall interaction, constituted by ANSYS commercial program was used. The findings obtained from the numerical analyses were discussed comparatively for rigid and flexible wall approximations in terms of the dynamic material pressure, equivalent base shear and bending moment. The numerical results clearly show that the wall flexibility may significantly affects the characteristics behavior of the reinforced concrete (RC) cylindrical silos and magnitudes of the responses under strong ground motions.
In this work, a new hyperbolic shear deformation beam theory is proposed based on a modified couple stress theory (MCST) to investigate the bending and free vibration responses of functionally graded (FG) micro beam made of porous material. This non-classical micro-beam model introduces the material length scale coefficient which can capture the size influence. The non-classical beam model reduces to the classical beam model when the material length scale coefficient is set to zero. The mechanical material properties of the FG micro-beam are assumed to vary in the thickness direction and are estimated through the classical rule of mixture which is modified to approximate the porous material properties with even and uneven distributions of porosities phases. Effects of several important parameters such as power-law exponents, porosity distributions, porosity volume fractions, the material length scale parameter and slenderness ratios on bending and dynamic responses of FG micro-beams are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role in the mechanical behavior of porous FG micro-beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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