Thin walled steel bridge-piers/columns are vulnerable to damage, when subjected to earthquake excitations. Local buckling, global buckling or interaction between local and global buckling usually is the cause of this damage, which results in significant strength reduction of the member. In this study new innovative design concepts, "thin-walled corrugated steel columns" and "thin-walled cellular steel columns" are presented, which allow the column to undergo large plastic deformations without significant strength reduction; hence dissipate energy under cyclic loading. It is shown that, compared with the conventional designs, circular and stiffened box sections, these new innovative concepts might results in cost-effective designs, with improved buckling and ductility properties. Using a finite element model, that takes the non-linear material properties into consideration, it is shown that the corrugations will act like longitudinal stiffeners that are supporting each other, thus improving the buckling behavior and allowing for reduction of the overall wall thickness of the column.
Frequently, steel silos are supported by discrete supports or columns to permit easy access beneath the barrel. In such cases, large loads are transferred to the limited number of supports, causing locally high axial compressive stress concentrations in the shell wall above the supports. If not dealt with properly, these increased stresses will lead to premature failure of the silo due to local instability in the regions above the supports. Local stiffening near the supports is a way to improve the buckling resistance, as material is added in the region of elevated stresses, levelling these out to values found in uniformly supported silos. The aim of a study on the properties of local stiffening will then be to increase the failure load, governed by an interaction of plastic collapse and elastic instability, to that of a discrete supported silo. However, during the course of such a study it was found that, although the failure remains local, the cylinder height is also a parameter that influences the failure mechanism, a fact that is not properly taken into account in current design practice and codes. This paper describes the mechanism behind the effect of the cylinder height on the failure load, which is related to pre-buckling deformations of the shell structure. All results and conclusions are based on geometrically and materially non-linear finite element analyses.
Lee, E.T.;Kim, Jong Won;Park, Ji Hoon;Shim, Ju Yeon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.3
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pp.321-329
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2006
The use of tapered structural members was first proposed by Ami rikian for the economical use of materials.Generaly, tapered members are used in single-story structures with one or more bays and in cantilevered sections of ate architectural representation. If only focused on the section performance, however, the width-to-thickness ratio or t apered ratio can exced regulations. Such a case requires a study on the behavior of tapered members. To investigate the plastic and local buckling behavior of web-tapered beams, seven steel beams were the tapered ratio and the width-to-thicknes ratio. The results of maximum strength, strength deterioration, and stiffnes deterioration were compared.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.10a
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pp.123-126
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2002
To evaluate the bending collapse behavior of an aluminum square tube, a finite element simulation for the four-point bending test was suggested. Local buckling deformation near the center of an aluminum tube specimen was induced which has been partly inserted by two steel bars. Simulation results showed good agreements with those of experiment.
El-Kholy, Ahmed M.;Mourad, Sherif A.;Shaheen, Ayman A.;Mohamed, Yomna A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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pp.569-583
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2019
Tubular steel sections are widespread all over the world because of their strength and aesthetic appearance. Tubular steel members may exhibit local buckling such as elephant foot or overall buckling under extreme compression load. Recently, external bonding of fiber reinforced polymers (FRP) sheets for strengthening these members has been explored through experimental research. This paper presents three-dimensional nonlinear finite element analysis (FEA) to investigate the structural behavior of strengthening tubular steel members with FRP against local and overall buckling phenomena. Out-of-roundness and out-of-straightness imperfections were introduced to the numerical models to simulate the elephant foot and overall buckling, respectively. The nonlinear analysis preferences such as the integration scheme of the shell elements, the algorithm for solution of nonlinear equations, the loading procedure, the bisection limits for the load increments, and the convergence criteria were set, appropriately enough, to successfully track the sophisticated buckling deformations. The agreement between the results of both the presented FEA and the experimental research was evident. The FEA results demonstrated the power of the presented rigorous FEA in monitoring the plastic strain distribution and the buckling phenomena (initiation and propagation). Consequently, the buckling process was interpreted for each mode (elephant foot and overall) into three sequential stages. Furthermore, the influence of FRP layers on the nonlinear analysis preferences and the results was presented.
Non-linear large-displacement elasto-plastic finite element analyses are used to propose design recommendations for the eaves bracket of a cold-formed steel portal frame. Owing to the thinness of the sheet steel used for the brackets, such a structural design problem is not trivial as the brackets need to be designed against failure through buckling; without availability of the finite element method, expensive laboratory testing would therefore be required. In this paper, the finite element method is firstly used to predict the plastic moment capacity of the eaves bracket. Parametric studies are then used to propose design recommendations for the eaves bracket against two potential buckling modes of failure: (1) buckling of the stiffened free-edge into one-half sine wave, (2) local plate buckling of the exposed triangular bracket area.The results of full-scale laboratory tests on selected geometries of eaves bracket demonstrate that the proposed design recommendations are conservative. The use of the finite element method in this way exploits modern computational techniques for an otherwise difficult structural design problem.
The plate bucking is very important design criteria when the ship is composed of high tensile steel plates. The structures under the action of excessive exhibit local failure associated with bucking until they reach the ultimate limit state as a whole. Precise assessment of the behaviour of plate above primary buckling load is important. In this connection, series of elastic plastic large deflection analyses are performed on rectangular plates with aspect ratio 1.4 applying the finite element method. In this paper, the buckling/plastic collapse behavior of ship plates with secondary buckling is investigated. It has found that the other deflection componentes also increase with the increase of compressive load above the primary buckling load.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.28
no.1
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pp.117-124
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1991
In this paper, a method to overcome inefficiency of the finite element method in the calculation of compressive strength of one-sided stiffened plates, is proposed. In this method the collapse modes of stiffened plates are assumed as follows. a) Overall buckling $\rightarrow$ Overall collapse b) Local buckling $\rightarrow$ Overall collapse c) Local buckling $\rightarrow$ Local collapse In each collapse mode, shape of deflection is assumed, and then elastic large deformation analysis based on the Rayleigh-Ritz method is carried out. One-sided stiffening effect is considered by taking into account of the moment due to eccentricity. Plastic analysis by assuming hinge lines is also carried out. The ultimate strength of a stiffened plate is obtained as the point of intersection of the elastic analysis curve and the plastic one. From this study, it is concluded that the angles between the plastic hinge lines in plastic collapse mode are determined as the ones which give the minimum collapse load, and these angles are different from the ones assumed in the previous studies. Minimum stiffness ratios can also be calculated. Calculated results according to this method show good agreements with the results by the finite element method.
Post-local buckling behavior is a very important consideration in plastic and seismic design of steel structures. It describes the structural behavior up to the final collapse state. In order to assess the actual reliability of structures under severe repeated loading, such as strong earthquakes, it is necessary to evaluate the progressive cyclic deterioration of stiffness as well as the strength and energy dissipation capacity of the structures after local buckling happens. In this study, a simple analytical model developed for predicting post-local buckling behavior for cyclic and non-proportional loading histories, has been proposed. This analytical model uses the stress resultant model based on the two surface model. Analytical moment-curvature relationship using this model compare well with the experimental results in constant amplitude cycling, and linearized energy deterioration which is very important in seismic design can be predicted from the proposed model.
Fracture behaviors of pipes with local wall thinning are very important for the integrity of nuclear power plant. However, effects of local wall thinning on strength and fracture behaviors of piping system were not well studied. Acoustic emission(AE) has been widely used in various fields because of its extreme sensitivity, dynamic detection ability and location of growing defects. In this study, we investigated failure modes of locally wall thinned pipes and AE signals by bending test. From test results, we could be divided four types of failure modes of ovalization, crack initiation after ovalization, local buckling and crack initiation after local buckling. And fracture behaviors such as elastic region, yielding region, plastic deformation region and crack progress region could be evaluated by AE counts, accumulative counts and time-frequency analysis during bending test. The result of the frequency range is expected to be basic data that can inspect plants in real-time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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