본 연구에서는 2차 비탄성해석과 단면점증법을 이용한 평면 강골조 구조물의 최적설계 방법을 제시하였다. 2차 비탄성해석은 구조시스템과 그에 속한 부재들의 기하학적 비선형과 재료적 비선형을 고려하기 때문에 2차 비탄성해석에 바탕을 둔 설계법에서는 해석 후 개별부재의 강도검토가 필요 없다. 본 논문에서 제안한 단면점증법을 최적화 기법으로 사용하였으며 목적함수로 구조물의 중량을 사용하였다. 제약조건식은 구조시스템의 하중-저항능력, 처짐 및 층간 수평변위 등을 고려하였으며 제안된 방법에 의한 설계결과를 다른 방법에 의한 것들과 비교하여 그 효율성을 증명하였다.
The plastic hinge method and the plastic zone method are extensively adopted in displacement-based elements and force-based elements respectively for second-order inelastic analysis. The former enhances the computational efficiency with relatively less accurate results while the latter precisely predicts the structural behavior but generally requires more computer time. The displacement-based elements receive criticism mainly on plasticity dominated problems not only in accuracy but also in longer computer time to redistribute the forces due to formation of plastic hinges. The multi-element-per-member model relieves this problem to some extent but will induce a new problem in modeling of member initial imperfections required in design codes for direct analysis. On the contrary, a force-based element with several integration points is sufficient for material yielding. However, use of more integration points or elements associated with fiber section reduces computational efficiency. In this paper, a new force-based element equipped with stress-resultant plasticity model with minimal computational cost is proposed for second-order inelastic analysis. This element is able to take the member initial bowing into account such that one-element-per-member model is adequate and complied with the codified requirements of direct analysis. This innovative solution is new and practical for routine design. Finally, several examples demonstrate the validity and accuracy of the proposed method.
This paper presents a displacement-based finite element procedure for second-order distributed plasticity analysis of planar steel frames with semi-rigid beam-to-column connections under static loadings. A partially strain-hardening elastic-plastic beam-column element, which directly takes into account geometric nonlinearity, gradual yielding of material, and flexibility of semi-rigid connections, is proposed. The second-order effects and distributed plasticity are considered by dividing the member into several sub-elements and meshing the cross-section into several fibers. A new nonlinear solution procedure based on the combination of the Newton-Raphson equilibrium iterative algorithm and the constant work method for adjusting the incremental load factor is proposed for solving nonlinear equilibrium equations. The nonlinear inelastic behavior predicted by the proposed program compares well with previous studies. Coupling effects of three primary sources of nonlinearity, geometric imperfections, and residual stress are investigated and discussed in this paper.
Unpolarized 1.047-GeV proton inelastic scatterings from the Ni isotopes $^{62}Ni$ and $^{64}Ni$ are analyzed phenomenologically employing an optical potential model and the first-order collective model in the relativistic Dirac coupled channel formalism. The Dirac equations are reduced to $Schr{\ddot{o}}dinger-like$ second-order differential equations, and the effective central and spin-orbit optical potentials are analyzed by considering the mass-number dependence. The multistep excitation via the $2^+$ state is found to be important for the $4^+$ state excitation in the ground state rotational band for proton inelastic scatterings from the Ni isotopes. The calculated deformation parameters for the $2^+$ and the $4^+$ states of the ground state rotational band and for the first $3^-$ state are found to agree pretty well with those obtained from nonrelativistic calculations.
This paper presents a design technique of steel structures subjected to static and dynamic loadings using practical nonlinear inelastic analysis software. The beam-column approach using the stability functions and the plastic hinge concept enables the software to suitably predict second-order effects and inelastic behavior of beam-columns. For dynamic analysis. the incremental from of the equation of motion is solved by the use of a step-by-step numerical integration procedure in which the assumption of constant acceleration over a small time step is employed. The accuracy of the analysis program is validated using the results of ABAQUS program and experimental tests. A user-friendly graphic interface of the software is developed to facilitate the modeling process and result interpretation of the problem. A design example of large span bridge is presented to detail the direct design process using the practical advanced analysis software.
The safety level of a structural system designed per code specifications can not be inferred directly from the reliability of members due to the load redistribution and nonlinear inelastic structural behavior. Comparison of the system and member reliability, which is scarce in the literature, is likely to indicate any possible inconsistency of design codes in providing safe and economical designs. Such a comparative study is presented in this study for moment resisting two-dimensional steel frames designed per AISC LRFD Specifications. The member reliability is evaluated using the resistance of the beam-column element and the elastic load effects that indirectly accounts for the second-order effects. The system reliability analysis is evaluated based on the collapse load factor obtained from a second-order inelastic analysis. Comparison of the system and member reliability is presented for several steel frames. Results suggest that the failure probability of the system is about one order of magnitude lower than that of the most critically loaded structural member, and that the difference between the system and member reliability depends on the structural configuration, degree of redundancy, and dead to live load ratio. Results also suggest that the system reliability is less sensitive to initial imperfections of the structure than the member reliability. Therefore, the system aspect should be incorporated in future design codes in order to achieve more reliability consistent designs.
An advanced numerical method is proposed in this paper for the second-order inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges using rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns under earthquake loadings for the first time. The proposed method can exactly predict the nonlinear response of the bridges by using only one element per member in simulating the structural model. This comes from considering both the geometric and material nonlinearities in a fiber beam-column element and a catenary cable element. In the fiber beam-column element, the geometric nonlinearities are captured by applying the stability functions, whereas the material nonlinearities are evaluated by tracing the uniaxial cyclic stress-strain curves of each fiber on the cross-sections, which are located at the integration points along the member length. A computer program was developed based on Newmark's average acceleration algorithm to solve the nonlinear equations of motion. The accuracy and computational efficiency of the proposed program were verified by comparing the predicted results with the experimental results, and the results obtained from the commercial software SAP2000 and ABAQUS. The proposed program is promising as a useful tool for practical designs for the nonlinear inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges.
Methods for the seismic demands evaluation of structures require iterative procedures. Many studies dealt with the development of different inelastic spectra with the aim to simplify the evaluation of inelastic deformations and performance of structures. Recently, the concept of inelastic spectra has been adopted in the global scheme of the Performance-Based Seismic Design (PBSD) through Capacity-Spectrum Method (CSM). For instance, the Modal Pushover Analysis (MPA) has been proved to provide accurate results for inelastic buildings to a similar degree of accuracy than the Response Spectrum Analysis (RSA) in estimating peak response for elastic buildings. In this paper, a simplified nonlinear procedure for evaluation of the seismic demand of structures is proposed with its applicability to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems. The basic concept is to write the equation of motion of (MDOF) system into series of normal modes based on an inelastic modal decomposition in terms of ductility factor. The accuracy of the proposed procedure is verified against the Nonlinear Time History Analysis (NL-THA) results and Uncoupled Modal Response History Analysis (UMRHA) of a 9-story steel building subjected to El-Centro 1940 (N/S) as a first application. The comparison shows that the new theoretical approach is capable to provide accurate peak response with those obtained when using the NL-THA analysis. After that, a simplified nonlinear spectral analysis is proposed and illustrated by examples in order to describe inelastic response spectra and to relate it to the capacity curve (Pushover curve) by a new parameter of control, called normalized yield strength coefficient (${\eta}$). In the second application, the proposed procedure is verified against the NL-THA analysis results of two buildings for 80 selected real ground motions.
Practical stability design method of main members of cable-stayed bridges is proposed and discussed through a design example. For this purpose, initial tensions of stay cables and axial forces of main members are firstly determined using initial shaping analysis of bridges under dead loads. And then the effective buckling length using system elastic/inelastic buckling analysis and bending moments considering $P-{\delta}-{\Delta}$ effect by second-order elastic analysis are calculated for main girder and pylon members subjected to both axial forces and moments, respectively. Particularly, load combinations of dead and live loads, in which maximum load effects due to live loads are obtained, are taken into account and effects of live loads on effective buckling lengths are investigated.
강구조 비가새 골조의 접합부로서 반강접합부를 적용하게 되면 접합부의 비선형적인 모멘트-회전각 관계는 강구조 비가새 골조의 거동($P-\Delta$ 효과) 및 안정성에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 접합부 비선형 거동이 골조의 거동 및 안정성에 미치는 영향을 2차 비탄성 해석을 통하여 고찰하고, 안정성에 영향을 미치는 주요 인자 및 그 경향들을 분석하였다. 연구 결과 접합부의 비선형 거동은 골조의 안정성에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며 주요 영향인자는 접합부의 회전강성, 반강접합부의 적용 위치 등으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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