A structural optimization process is presented for arches with varying cross-section. The optimality criteria method is used to develop a recursive relationship for the design variables considering displacement, stresses and minimum depth constraints. The depth at the crown and at the support are taken as design variables first. Then the approach is extended by taking the depth values of each joint as design variable. The curved beam element of constant cross section is used to model the parabolic and circular arches with varying cross section. A number of design examples are presented to demonstrate the application of the method.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.44
no.3
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pp.92-100
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2002
The advent or high-strength steel has enabled the arch structures to be relatively light, durable and long-spanned by reducing the cross sectional area. On the other hand, the possibility of collapse may be increased due to the slender members which may cause the stability problems. The limit analysis to estimate the ultimate load is based on the concept of collapse mechanism that forms the plastic zone through the full transverse sections. So, it is not appropriate to apply it directly to the instability analysis of arch structures that are composed with compressive members. The objective of this study is to evaluate the ultimate load carrying capacity of the parabolic arch by using the elasto-plastic finite element model. As the rise to span ratio (h/L) varies from 0.0 to 0.5 with the increment of 0.05, the ultimate load has been calculated fur arch structures subjected to uniformly distributed vertical loads. Also, the disco-elasto-plastic analysis has been carried out to find the duration time until the behavior of arch begins to show the stable state when the estimated ultimate load is applied. It may be noted that the maximum ultimate lead of the parabolic arch occurs at h/L=0.2, and the appropriate ratio can be recommended between 0.2 and 0.3. Moreover, it is shown that the circular arch may be more suitable when the h/L ratio is less than 0.2, however, the parabolic arch can be suggested when the h/L ratio is greater than 0.3. The ultimate load carrying capacity of parabolic arch can be estimated by the well-known formula of kEI/L$^3$where the values of k have been reported in this study. In addition, there is no general tendency to obtain the duration time of arch structures subjected to the ultimate load in order to reach the steady state. Merely, it is observed that the duration time is the shortest when the h/L ratio is 0.1, and the longest when the h/L ratio is 0.2.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.46
no.2
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pp.67-75
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2004
This study aims to investigate the dynamic behaviour of a parabolic arch with initial deflection by using the elasto-plastic finite element model where the von-Mises yield criteria have been adopted. The initial deflection of arch was assumed by the high order polynomial of ${\omega}_i$ = ${\omega}_o$${(1-{(2x/L)}^m)}^n$) and the sinusoidal profile of ${\omega}_i$ = ${\omega}_o$$\sin$(n$\pi$x/L). Several numerical examples were tested considering symmetric initial deflection modes when the maximum initial deflection of an arch is fixed as L/500, L/1000, L/2000 or L/5000. The effects of polynomials order on the dynamic behavior of arch were not conspicuous. The most unfavorite dynamic response occurs when the maximum initial deflection varies from L/1000 to L/4000 if the initial deflection mode is represented by high order polynomials.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.46
no.6
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pp.21-28
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2004
This study aims to investigate the effects of partially distributed loads on the dynamic behaviour of steel parabolic arches by using the elasto-plastic finite element model based on the Von Mises yield criteria and the Prandtl-Reuss How rule. For this purpose, the vertical and the radial load conditions were considered as a distributed loading and the loading range is varied from 40% to 100% of arch span. Normal arch and arch with initial deflection were studied. The initial deflection of arch was assumed by the sinusoidal motile of ${\omega}_i\;=\;{\\omega}_O$ sin ($n{\pi}x/L$). Several numerical examples were tested considering symmetric initial deflection when the maximum initial deflection at the apex is fixed as L/1000. The analysis resluts showed that the maximum deflection at the apex of arch was occurred when 70% of arch span was loaded. The maximum deflection at the quarter point of arch span was occurred when 50% of arch span was loaded. It is known that the optimal rise to span ratio between 0.2 and 0.3 when the vertical or radial distributed load is applied. It is verified that the influence of initial deflection of radial load case is more serious than that of vertical load case.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.45
no.2
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pp.78-85
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2003
This study aims to investigate the effect of partially distributed loads on the static behavior of parabolic arches by using the elastic-plastic finite element model. For this purpose, the vertical, the radial, and the anti-symmetric load cases are considered, and the ratio of loading range and arch span is increased from 20% to 100%. Also, the elastic-visco-plastic analysis has been carried out to estimate the elapse time to reach the stable state of arches when the ultimate load obtained by the finite element analysis is applied. It is noted that the ultimate load carrying capacities of parabolic arches are 6.929 tf/$m^2$ for the radial load case, and 8.057 tf/$m^2$ for the vertical load case. On the other hand, the ultimate load is drastically reduced as 2.659 tf/$m^2$ for the anti-symmetric load case. It is also shown that the maximum ultimate load occurs at the full ranging distributed load, however, the minimum ultimate loads of the radial and vortical load cases are obtained by 2.336 tf/$m^2$, 2.256 tf/$m^2$, respectively, when the partially distributed load is applied at the 40% range of full arch span.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.846-851
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2003
The differential equations governing free, in-plane vibrations of non-circular arches with non-uniform cross-section, including the effects of rotatory inertia, shear deformation and axial deformation, are derived and solved numerically to obtain frequencies. The lowest four natural frequencies are calculated for the prime parabolic arches with hinged-hinged, hinged-clamped, and clamped-clamped end constraints. Three general taper types for rectangular section are considered. A wide range of arch rise to span length ratios, slenderness ratios, and section ratios are considered. The agreement with results determined by means of a finite element method is good from an engineering viewpoint.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.995-999
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2001
This paper deals with the free vibrations of arches with general boundary condition. Based on the dynamic equilibrium equations of a arch element acting the stress resultants and the inertia forces, the governing differential equation is derived for the in-plane free vibration of such arches. Differential equations are solved numerically to calculate natural frequencies. In numerical examples, the parabolic arch is considered. The effects of the arch rise to span length ratio, the slenderness ratio, the vertical spring coefficient and the rotational spring coefficient on the natural frequencies are analyzed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.2A
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pp.145-153
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2009
The lateral-torsional buckling strengths of the parabolic arches are investigated in this study. The curvatures of a parabolic arch vary along the center line of the arch. Thus, the problem is much more complicated comparing that of arches with constant curvature such as circular arches. Moreover, most of previous studies are limited to the circular arches. In this study, lateral-torsional buckling equations are derived for the arches with varying curvatures considering the warping effects. To obtain the buckling strength of parabolic arches, numerical solutions based on the finite difference technique are provided. The numerical solutions are compared with the those of previous researchers and finite element analyses. Then, the lateral-torsional strengths of parabolic arches are successfully verified. Finally, comparison study of critical buckling loads of parabolic arches with those of circular arches for the various rise to span ratios are discussed.
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.4
s.77
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pp.439-447
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2005
When arch ribs are subjected to vertical loading, they may buckle suddenly towards the in-plane direction. Therefore, the designer should consider their in-plane stability. In this paper, the in-plane elastic and inelastic buckling strength of parabolic, fixed arch ribs subjected to vertical distributed loading were investigated using the finite element method. A finite element model for the snap-through and inelastic behavior of arch ribs was verified using other researchers' test results. The ultimate strength of arch ribs was determined by taking into account their large deformation, material inelasticity, and residual stress. Finally, the finite element analysis results were compared with the EC3 design code.
Huang, Yonghui;Liu, Airong;Pi, Yong-Lin;Bradford, Mark A.;Fu, Jiyang
Steel and Composite Structures
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v.34
no.1
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pp.1-15
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2020
This paper presents experimental and numerical studies on effects of local damages on the in-plane elastic-plastic buckling and strength of a fixed parabolic steel tubular arch under a vertical load distributed uniformly over its span, which have not been reported in the literature hitherto. The in-plane structural behaviour and strength of ten specimens with different local damages are investigated experimentally. A finite element (FE) model for damaged steel tubular arches is established and is validated by the test results. The FE model is then used to conduct parametric studies on effects of the damage location, depth and length on the strength of steel arches. The experimental results and FE parametric studies show that effects of damages at the arch end on the strength of the arch are more significant than those of damages at other locations of the arch, and that effects of the damage depth on the strength of arches are most significant among those of the damage length. It is also found that the failure modes of a damaged steel tubular arch are much related to its initial geometric imperfections. The experimental results and extensive FE results show that when the effective cross-section considering local damages is used in calculating the modified slenderness of arches, the column bucking curve b in GB50017 or Eurocode3 can be used for assessing the remaining in-plane strength of locally damaged parabolic steel tubular arches under uniform compression. Furthermore, a useful interaction equation for assessing the remaining in-plane strength of damaged steel tubular arches that are subjected to the combined bending and axial compression is also proposed based on the validated FE models. It is shown that the proposed interaction equation can provide lower bound assessments for the remaining strength of damaged arches under in-plane general loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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