Cold-formed channel sections are used in a variety of applications in which they are required to absorb deformation energy. This paper investigates the collapse behaviour and energy absorption capability of cold-formed steel channels with flange edge stiffeners under large deformation major-axis bending. The Yield Line Mechanism technique is applied using the energy method, and based upon measured spatial plastic collapse mechanisms from experiments. Analytical solutions for the collapse curve and in-plane rotation capacity are developed, and used to model the large deformation behaviour and energy absorption. The analytical results are shown to compare well with experimental values. Due to the complexities of the yield line model of the collapse mechanism, a simplified procedure to calculate the energy absorbed by channel sections under large bending deformation is developed and also shown to compare well with the experiments.
Plastic mechanism analysis of structures subjected to large deformation has long been used in order to determine collapse mechanisms of steel structures, and the energy absorbed in plastic deformation during such collapses. In this paper the technique is applied to vehicle roof structures that undergo large plastic deformation as a result of rollover crashes. The components of such roof structures are typically steel spot-welded hat-type sections. Ten different deformation mechanisms are defined from investigations of real-world rollover crashes, and an analytical technique to determine the plastic collapse load and energy absorption of such mechanisms is determined. The procedure is presented in a generic manner, such that it may be applied to any vehicle structure undergoing a rollover induced collapse. The procedure is applied to an exemplar vehicle, in order to demonstrate its application in determining the energy absorbed in the deformation of the identified collapse mechanisms. The procedure will be useful to forensic crash reconstructionists, in order to accurately determine the initial travel velocity of a vehicle that has undergone a rollover and for which the post-crash vehicle deformation is known. It may also be used to perform analytical studies of the collapse resistance of vehicle roof structures for optimisation purposes, which is also demonstrated with an analysis of the effect of varying the geometric and material properties of the roof structure components of the exemplar vehicle.
For the collapse of structures due to the variable repeated load, two types of collapse mechanisms, i.e., incremental collapse and alternating plasticity, exist. Under the similar variable repeated loading conditions there exists shakedown state in the structures. In shakedown state, the number of plastic hinges are not increased and all further loading will be resulted in the elastic moment changes. Namely, under the shakedown state, structures do not collapse. In this investigation, shakedown analysis are performed by composing new computer programs. Basic theories employed to compose the programs are as follows. 1. Newton-Raphson methods are added to the existing matrix method for the plastic analysis. 2. An effort to construct the stiffness of axial and bending springs attached at both ends of the member has been made. By using the programs developed, it is possible to anticipate the collapse mechanisms (Incremental collapse, alternating plasticity). Lastly for the verification of performance of the program, demonstration examples have been solved and the results are compared with other sources.
Bending collapse of light-weight square tubes used for vehicle structure components is a dominant failure mode in oblique collision and rollover of vehicles. In this paper bending performances of aluminum-GFRP hybrid tube beams were evaluated in relation with bending deformation behavior and energy absorption characteristics. Aluminum/GFRP hybrid tube beams fabricated by inserting adhesive film between prepreg and metal layer were used in the bending test. Failure mechanisms of hybrid tubes under a bending load were experimentally investigated to analyze the bending performance as a function of ply orientation and composite layer thickness. Ultimate bending moments and energy absorption capacity of hybrid tube beams were obtained from the measured load-displacement corves. It was found that aluminum/GFRP hybrid tubes could be converted to rather stable collapse mode showing excellent energy absorption capacity in comparison to the pure aluminum tube beams. In particular, the hybrid tube beam with $[0^{\circ}/90^{\circ}]s$ composite layer showed a large improvement by about 78% in energy absorption capacity and by 29% in specific energy absorption.
This paper concerns the development and implementation of an orthotropic, stress resultant elasto-plastic finite element model for the collapse load analysis of reinforced concrete plates. The model implements yield line plasticity theory for reinforced concrete. The behaviour of the yield functions are studied, and modifications introduced to ensure a robust finite element model of cases involving bending and twisting stress resultants ($M_x$, $M_y$, $M_{xy}$). Onset of plasticity is always governed by the general yield-line-model (YLM), but in some cases a switch to the stress resultant form of the von Mises function is used to ensure the proper evolution of plastic strains. Case studies are presented, involving isotropic and orthotropic plates, to assess the behaviour of the yield line approach. The YLM function is shown to perform extremely well, in predicting both the collapse loads and failure mechanisms.
Circular cylindrical tubes are widely used in structures such as vehicles and aircraft structures, where light weight and high compressive/bending/torsional load carrying capacity are required. When axially compressed, relatively thick circular cylindrical tubes deform in a so-called ring mode. Each ring develops and completely collapses one by one until the entire length of the tube collapses. During the collapse process the tube absorbs a large amount of energy. Like honey-comb structures, circular cylindrical tubes are light weighted, are capable of high axial compressive load, and absorb a large amount of energy before being completely collapsed. In this report, the subject of axial plastic buckling of circular cylindrical tubes was reviewed first. Then, the axial collapse process of the tubes in a so-called ring mode was studied both experimentally and numerically. In the experiment, steel tubes were axially compressed slowly until they were completely collapsed. Fixed boundary condition was provided. Numerical study involves axisymmetric, elastic-plastic, large deflection, self-contact mechanisms. The measured and calculated results were presented and compared with each other. The purpose of the study was to evaluate the load carrying capacity and the energy absorbing capacity of the tube.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.8
s.185
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pp.127-136
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2006
Metallic sandwich plates with inner dimpled shell subject to 3-point bending have been analyzed and then optimized for minimum weight. Inner dimpled shells can be easily fabricated by press or roll with high precision and bonded with same material skin sheets by resistance welding or adhesive bonding. Metallic sandwich plates with inner dimpled shell structure can be optimally designed for minimum weight subject to prescribed combination of bending and transverse shear loads. Fundamental findings for lightweight design are presented through constrained optimization. Failure responses of sandwich plates are predicted and formulated with an assumption of narrow sandwich beam theory. Failure is attributed to four kinds of mechanisms: face yielding, face buckling, dimple buckling and dimple collapse. Optimized shape of inner dimpled shell structure is a hemispherical shell to minimize weight without failure. It is demonstrated that bending stiffness of sandwich plate is 2 or 3 times larger than solid plates with the same strength. Failure mode boundaries and iso-strength lines dependent upon the geometry and yield strain of the material are plotted with respect to geometric parameters on the failure map. Because optimal parameters of maximum strength for given material weight can be selected from the map, analytic solutions for maximum strength are expressed as a function of only material property and proposed strength. These optimal parameters match well with numerical optimal parameters.
Andika M. Emilidardi;Ali Awaludin;Andreas Triwiyono;Angga F. Setiawan;Iman Satyarno;Alvin K. Santoso
Earthquakes and Structures
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v.27
no.1
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pp.69-82
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2024
In the conventional seismic design approach for a bridge pier, the function of the stopper, and shear key are to serve as mechanisms for unseating prevention devices that retain and transmit the lateral load to the pier under strong earthquakes. This frequently inflicts immense shear forces and bending moments concentrated at the plastic hinge zone. In this study, a shear panel damper plus gap (SPDG) is proposed as a low-cost alternative with high energy dissipation capacity to improve the seismic performance of the pier. Therefore, this study aimed to investigate the seismic performance of the pre-stressed concrete I girder (PCI-girder) bridge equipped with SPDG. The bridge structure was analyzed using nonlinear time history analysis with seven-scaled ground motion records using the guidelines of ASCE 7-10 standard. Consequently, the implementation of SPDG technology on the bridge system yielded a notable decrease in maximum displacement by 41.49% and a reduction in earthquake input energy by 51.05% in comparison to the traditional system. This indicates that the presence of SPDG was able to enhance the seismic performance of the existing conventional bridge structure, enabling an improvement from a collapse prevention (CP) level to an immediate occupancy (IO).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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