Heating correction, through heating and flattening a structure with a pressing machine, is the in-situ method used to repair buckled steel structures. The primary purpose of this investigation is to develop an FEM model which can predict the mechanical response of heat-corrected plates accurately. Our model clarifies several unsolved problems. In previous research, the location of the imperfection was limited to the center of the specimen although the mechanical behavior is strongly affected by the location of the imperfection. Our research clarifies the relationship between the location of the imperfection and the mechanical behavior. In addition, we propose further reinforcement methods and validate their effectiveness. Our research concludes that the strength of a buckled specimen can be recovered by heating correction and the use of an adequate stiffener.
This paper presents results of a non-linear finite element analysis of axially loaded slender hollow structural section (HSS) columns, strengthened using high modulus carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) longitudinal sheets. The model was developed and verified against both experimental and other analytical models. Both geometric and material nonlinearities, which are attributed to the column's initial imperfection and plasticity of steel, respectively, are accounted for. Residual stresses have also been modeled. The axial strength in the experimental study was found to be highly dependent on the column's imperfection. Consequently, no specific correlation was established experimentally between strength gain and amount of CFRP. The model predicted the ultimate loads and failure modes quite reasonably and was used to isolate the effects of CFRP strengthening from the columns' imperfections. It was then used in a parametric study to examine columns of different slenderness ratios, imperfections, number of CFRP layers, and level of residual stresses. The study demonstrated the effectiveness of high modulus CFRP in increasing stiffness and strength of slender columns. While the columns' imperfections affect their actual strengths before and after strengthening,the percentage gain in strength is highly dependent on slenderness ratio and CFRP reinforcement ratio, rather than the value of imperfection.
There were two transmission tower collapses due to Typhoon 'Maemi' in 2003. The reason that a collapse was happened was excessive wind load. One was buckled in the leg part and the other was buckled in the middle bracing part. To investigate a steel transmission tower failure mechanism, 2nd order nonlinear analysis should be performed. Considering the effect of initial imperfection and theresidual stress of angle section during nonlinear analysis, this study can estimate the ultimate strength and the ultimate behavior of the transmission tower.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2001.05a
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pp.139-143
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2001
Ring-stiffened cylinders are widely used as the pressure hull of submarines and underwater vehicles. For large ring-stiffened cylinders cylindrical shells are fbricated by cold rolling of flat plates and then welding of curved shells. After forming cylinders ring-stiffeners are welded on th the cylinders. Due to these cold roiling and welding initial shape imperfections and residual stresses exists in fabricated ring-stiffened cylinders. It is well known that the initial shape and material imperfections affect the ultimate strength of ring-stiffened cylinders significantly. In this paper previous researches on the effects of initial shape imperfections and residual stresses are briefly reviewed Recently a numerical analysis computer program was developed to predict the ultimate strength of ring-stiffened cylinders subjected to hydrostatic pressure, which is based on the Dynamic Relaxation technique. This program was employed to numerically investigate those effects. The numerical predictions were substantiated with relevant experimental results.
In the current study, the influence of the initial lateral (sweep) shape and the cross-sectional twist imperfection on the lateral torsional buckling (LTB) response of doubly-symmetric steel I-beams was investigated. The material imperfection (residual stress) was not considered. For this objective, standard European IPN 300 beam with different unbraced span was numerically analyzed for three imperfection cases: (i) no sweep and no twist (perfect); (ii) three different shapes of global sweep (half-sine, full-sine and full-parabola between the end supports); and (iii) the combination of three different sweeps with initial sinusoidal twist along the beam. The first comparison was done between the results of numerical analyses (FEM) and both a theoretical solution and the code lateral torsional buckling formulations (EC3 and AISC-LRFD). These results with no imperfection effects were then separately compared with three different shapes of global sweep and the presence of initial twist in these sweep shapes. Besides, the effects of the shapes of initial global sweep and the inclusion of sinusoidal twist on the critical buckling load of the beams were investigated to unveil which parameter was considerably effective on LTB response. The most compatible outcomes for the perfect beams was obtained from the AISC-LRFD formulation; however, the EC-3 formulation estimated the $P_{cr}$ load conservatively. The high difference from the EC-3 formulation was predicted to directly originate from the initial imperfection reduction factor and high safety factor in its formulation. Due to no consideration of geometric imperfection in the AISC-LFRD code solution and the theoretical formulation, the need to develop a practical imperfection reduction factor for AISC-LRFD and theoretical formulation was underlined. Initial imperfections were obtained to be more influential on the buckling load, as the unbraced length of a beam approached to the elastic limit unbraced length ($L_r$). Mode-compatible initial imperfection shapes should be taken into account in the design and analysis stages of the I-beam to properly estimate the geometric imperfection influence on the $P_{cr}$ load. Sweep and sweep-twist imperfections led to 10% and 15% decrease in the $P_{cr}$ load, respectively, thus; well-estimated sweep and twist imperfections should considered in the LTB of doubly-symmetric steel I-beams.
In the recent years, steel box girder bridges have been extensively used due to high bending stiffness, torsional rigidity, and rapid construction. Therefore, researches related to this girder bridge have been widely conducted. This paper investigates the effect of residual stresses and geometric imperfections on the load-carrying capacity of steel box girder bridges spanning 30 m and 50 m. A three - dimensional finite element model of the steel box girder with a closed section was developed and analyzed using ABAQUS software. Nonlinear inelastic analysis was used to capture the actual response of the girder bridge accurately. Based on the results of analyses, the superimposed mode of webs and flanges was recommended for considering the influence of initial geometric imperfections of the steel box model. In addition, 4% and 16% strength reduction rates on the load - carrying capacity of the perfect structural system were respectively recommended for the girders with compact and non-compact sections, whose designs satisfy the requirements specified in AASHTO LRFD standard. As a consequence, the research results would help designers eliminate the complexity in modeling residual stresses and geometric imperfections when designing the steel box girder bridge.
Chang, Jin Won;Kim, Seung Jun;Park, Jong Sup;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.20
no.3
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pp.421-435
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2008
This paper presents an investigation on the ultimate behavior of a transmission tower using nonlinear analyses inconsideration of residual stress and initial imperfection. Main members, such as main post, horizontal member and diagonal member of the transmission tower were modeled using beam element. Moreover, submembers of the transmission tower were modeled using truss element. ABAQUS (2004) program was used to perform finite element analyses. Initial condition options of the ABAQUS program considering initial stress and imperfection were used in this study. Before performing the analysis of the total transmission tower, simple angle section models using beam or plate/shell element w ere investigated to verify the appropriateness of ABAQUS analysis models and options. According to the verification results, the beam element was used for nonlinear analyses of the transmission tower. From nonlinear analyses results, buckling failure was in the main member of the leg part because of ${P-{\triangle}}$ effect at that point. Also, this paper includes significant results to define real structural failure modes and quantitative values. This study should be used in the development of a reasonable and economic design method for transmission towers.
The purpose of this paper is to provide and verify an analytical method, based on the spline finite strip method, which can be used to investigate the buckling mode and stress of thin-walled steel sections. Geometric imperfection and initial stress of plates and plate assemblies, which are resulted from various preloadings and may cause prebuckling deformations before buckling, are included in the analysis. Material nonlinearity and residual stress are also considered. It can be applied to sections with simple or non-simple boundary conditions and arbitrary loading. The method has been applied to investigate the buckling behavior of plates and plate assemblies which are subjected to compression with initial imperfections and residual stresses.
Steel angles are widely used in roof trusses as web and chord members and in lattice towers. Very often angle members are connected eccentrically. As a result, not only an angle member is under an axial force, but it is also subject to a pair of end eccentric moments. Moreover, the connection at each end provides some fixity so neither pinned nor the fixed end represents the reality. Many national design codes allow for the effects due to eccentricities by modifying the slenderness ratio and reducing the compressive strength of the member. However, in practice, it is difficult to determine accurately the effective length. The concept behind this method is inconsistent with strength design of members of other cross-sectional types such as I or box sections of which the buckling strength is controlled by the Perry constant or the initial imperfection parameters. This paper proposes a method for design of angle frames and trusses by the second-order analysis. The equivalent initial imperfection-to-length ratios for equal and unequal angles to compensate the negligence of initial curvatures, load eccentricities and residual stresses are determined in this paper. From the obtained results, the values of imperfection-to-length ratios are suggested for design and analysis of angle steel trusses allowing for member buckling strength based on the Perry-Robertson formula.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.12
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pp.6521-6526
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2013
Elastic and nonlinear ultimate strength analyses were conducted to examine the effects of the stiffness and slenderness of flat-type stiffeners on ultimate in-plane strengths of a stiffened plate system. Although it is not feasible to consider local buckling in the stiffeners in elastic analysis, it was confirmed that the in-plane strengths of the stiffened plate system can be achieved by antisymmetric buckling mode when a certain level of stiffness in the stiffeners is provided. Nonlinear ultimate strength analysis, in which initial imperfection and residual stress are incorporated, showed that the ultimate strengths are sensitively affected by the mode shapes for initial imperfections. The slenderness limit for flat-type stiffeners in KHBDC (Korean Highway Bridge Design Code) was evaluated as conservative compared to the analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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