This study shows functionally graded material structural topology optimization under buckling constraints. The SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) material model is used and a method of moving asymptotes is also employed to update topology design variables. In this study, the quadrilateral element is applied to compute buckling load factors. Instead of artificial density properties, functionally graded materials are newly assigned to distribute optimal topology materials depending on the buckling load factors in a given design domain. Buckling load factor formulations are derived and confirmed by the resistance of functionally graded material properties. However, buckling constraints for functionally graded material topology optimization have not been dealt with in single material. Therefore, this study aims to find the minimum compliance topology optimization and the buckling load factor in designing the structures under buckling constraints and generate the functionally graded material distribution with asymmetric stiffness properties that minimize the compliance. Numerical examples verify the superiority and reliability of the present method.
The thermal buckling analysis of curved continuous welded rail (CWR) is studied for the lateral buckling prevention. This study includes a thermal buckling theory which accounts for both thermal and vehicle loading effects in the evaluation of track stability. The parameters include rail size, track lateral resistance, track longitudinal and torsional stiffnesses, initial misalignment amplitude and wavelength, track curvature, tie-ballast friction coefficient and truck center spacing. Parametric studies are performed to evaluate the effects of the individual parameters on the upper and lower critical buckling temperatures. The results show that the upper critical buckling temperature is highly affected by the uplift due to vehicle loads. This study provides a guideline for the improvement of stability for dynamic buckling in curved CWR track.
The actual buckling of the railroad track structure is suspected to be a complex interaction between the vertical, lateral and torsional modes. To make the analysis tractable, however, most studies restrict themselves to either the vertical or the horizontal plane. Based on a comprehensive and realistic three-dimensional track model developed in the previous study, three dimensional buckling analysis of CWR track subjected to temperature load was performed. Using the study on buckling temperature and mode, sensitivity of track components such as tie spacing, ballast resistance, stiffness of pad-fastening system and rail size were investigated.
Zaid A. Al-Sadoon;Samer Barakat;Farid Abed;Aroob Al Ateyat
Steel and Composite Structures
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v.49
no.2
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pp.143-159
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2023
Recently, the design of scaffolding systems has garnered considerable attention due to the increasing number of scaffold collapses. These incidents arise from the underestimation of imposed loads and the site-specific conditions that restrict the application of lateral restraints in scaffold assemblies. The present study is committed to augmenting the buckling resistance of vertical support members, obviating the need for supplementary lateral restraints. To achieve this objective, experimental and computational analyses were performed to assess the axial load buckling capacity of steel props, composed of two hollow steel pipes that slide into each other for a certain length. Three full-scale steel props with various geometric properties were tested to construct and validate the analytical models. The total unsupported length of the steel props is 6 m, while three pins were installed to tighten the outer and inner pipes in the distance they overlapped. Finite Element (FE) modeling is carried out for the three steel props, and the developed models were verified using the experimental results. Also, theoretical analysis is utilized to verify the FE analysis. Using the FE-verified models, a parametric study is conducted to evaluate the effect of different inserted pipe lengths on the steel props' axial load capacity and lateral displacement. Based on the results, the typical failure mode for the studied steel props is global elastic buckling. Also, the prop's elastic buckling strength is sensitive to the inserted length of the smaller pipe. A threshold of minimum inserted length is one-third of the total length, after which the buckling strength increases. The present study offers a prop with enhanced buckling resistance and introduces an equation for calculating an equivalent effective length factor (k), which can be seamlessly incorporated into Euler's buckling equation, thereby facilitating the determination of the buckling capacity of the enhanced props and providing a pragmatic engineering solution.
Elements used in steel structures may be considered as an assembly of number of thin flat walls. Local buckling of these members can limit the buckling capacity of axial load resistance or flexural strength. We can avoid a premature failure, caused by effects of local buckling, by limiting the value of the wall slenderness which depend on its critical buckling stress. According to Eurocode 3, the buckling stress is calculated for an internal wall assuming that the latter is a simply supported plate on its contour. This assumption considers, without further requirement, that the two orthogonal walls to this wall are sufficiently rigid to constitute fixed supports to it. In this paper, we focus on webs of steel profiles that are internal walls delimited by flanges profiles. The objective is to determine, for a given web, flanges dimensions from which the latter can be considered as simple support for this web.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.15
no.1
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pp.5-11
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2012
The Buckling of the member under compressive stress is likely to occur, which is an important factor determining the strength of structures. The objective of this study was to evaluate the member buckling strength of a circular hollow steel with ball joints and to compare with design specifications for load resistance factor of our country. Furthermore, we would like to suggest basic data for evaluation of buckling length of a circular hollow steel with ball joints according to comparative analysis. These results were summarized as follows: Buckling stress according to the test results on buckling was 1.21 times greater than LSD specifications of our country estimated the entire length of circular hollow steel with ball joints as buckling length. In addition, it was 1.16 times greater than when estimating the length except the ball as buckling length and 1.14 times grater than when excluding the ball and sleeve. Therefore, when estimating buckling stress of circular hollow steel with ball joints, their buckling length may be measured by the length except ball and sleeve.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.18
no.6
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pp.11-20
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2014
This paper aims at comparing and analyzing shear buckling characteristics between sinusoidal corrugation shape and trapezoidal one. For this, I adopted the equal-length trapezoidal corrugation and sinusoidal one for the analytical models, and analyzed their shear buckling characteristics through linear buckling analysis and on its theory. Generally, the shear buckling shapes of corrugated steel plates are classified into local buckling, global buckling, and interactive buckling from the two buckling modes. Sinusoidal corrugation shape, unlike trapezoidal corrugation, does not have flat sides, which causes another tendency in shear buckling mode. Especially, the changes and different aspects of shear buckling on the boundary between local buckling and global buckling appear in different corrugation shapes. According to the analysis results, interactive buckling mode appeared on the boundary of local buckling and global bucking in trapezoidal corrugation. However, in the case of corrugated steel plates with sinusoidal configuration, interactive buckling mode appeared in the part where global bucking takes place. Besides, trapezoidal shapes are of advantages on shear buckling resistance in the local buckling section, and so are sinusoidal shapes in the global buckling section.
The paper investigates beam lateral buckling stability according to linear and non-linear models. Closed form solutions for single-symmetric cross sections are first derived according to a non-linear model considering flexural-torsional coupling and pre-buckling deformation effects. The closed form solutions are compared to a beam finite element developed in large torsion. Effects of pre-buckling deflection and gradient moment on beam stability are not well known in the literature. The strength of singly symmetric I-beams under gradient moments is particularly investigated. Beams with T and I cross-sections are considered in the study. It is concluded that pre-buckling deflections effects are important for I-section with large flanges and analytical solutions are possible. For beams with T-sections, lateral buckling resistance depends not only on pre-buckling deflection but also on cross section shape, load distribution and buckling modes. Effects of pre-buckling deflections are important only when the largest flange is under compressive stresses and positive gradient moments. For negative gradient moments, all available solutions fail and overestimate the beam strength. Numerical solutions are more powerful. Other load cases are investigated as the stability of continuous beams. Under arbitrary loads, all available solutions fail, and recourse to finite element simulation is more efficient.
The paper presents theoretical and experimental investigations on three varying thickness circular cylinders, which were tested to destruction under external hydrostatic pressure. The five buckling theories that were presented were based on inelastic shell instability. Three of these inelastic buckling theories adopted the finite element method and the other two theories were based on a modified version of the much simpler von Mises theory. Comparison between experiment and theory showed that one of the inelastic buckling theories that was based on the von Mises buckling pressure gave very good results while the two finite element solutions, obtained by dividing the theoretical elastic instability pressures by experimentally determined plastic knockdown factors gave poor results. The third finite element solution which was based on material and geometrical non-linearity gave excellent results. Electrical resistance strain gauges were used to monitor the collapse mechanisms and these revealed that collapse occurred in the regions of the highest values of hoop stress, where considerable deformation took place.
Fiber reinforced polymer (FRP) columns are increasingly being used in various engineering fields due to its high strength to weight ratio and corrosion resistance. Being a thin-walled structure, their designs are often governed by buckling.Buckling strength depends on state of stress of elements which is greatly influence by stacking sequence and various inaccuracies such as geometric imperfections and imperfections due to eccentricity of compressive load and non-uniform boundary conditions. In the present work, influence of load eccentricity on buckling strength of FRP column has been investigated by conducting parametric study. Numerical analyses were carried out by using finite element software ABAQUS. The finite element (FE) model was validated using experimental results from the literature, which demonstrated good agreement in terms of failure loads and deformed shapes.The influence of load eccentricity on buckling behavior is discussed with the help of developed graphs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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