An equivalent friction element is proposed to simulate the friction in cable-strut joints. Equivalent stiffness matrixes and load vectors of the friction element are derived and are unified into patterns for FEM by defining a virtual node specially to store internal forces. Three approaches are described to verify the rationality of the new equivalent friction element: applying the new element in a cable-roller model, and numerical solutions match well with experimental results; applying the element in a continuous sliding cable model, and theoretical values, numerical and experimental results are compared; and the last is applying it in truss string structures, whose results indicate that there would be a great error if the cable of cable supported structures is simulated with discontinuous cable model which is usually adopted in traditional finite element analysis, and that the prestress loss resulted from the friction in cable-strut joints would have adverse effect on the mechanical performance of cable supported structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.14
no.1
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pp.85-91
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2014
The purpose of this paper is to study comparative of dynamic instability characteristic of Geiger-typed cable dome structures by load condition, which is well-known among the cable dome structures that are the lightweight hybrid structure using compression and tension element continuously. Dynamic buckling process in the phase plane is very important thing for understanding why unstable phenomena are sensitively originated in nonlinear dynamic by various initial conditions. But there is no paper for the dynamic instability of hybrid cable dome by Sinusoidal Excitations, many papers which deal with the dynamic instability for shell-structures under the step load have been published. As a result of Geiger-typed cable dome, which shows chaotic behavior in dynamic nonlinear analysis with initial imperfection.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.3
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pp.47-58
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2016
Cable network system is a flexible lightweight structure which curved cables can transmit only tensile forces. The weight of cable roof dramatically can reduce when the length becomes large. The cable network system is too flexible, most cable systems are stabilized by pretension forces. The tensile force of cable system is greatly influenced by the sag ratio and pretension forces. Determining initial sag ratio of cable roof system is essential in a design process of cable structures. Final sag ratio and pretension depends on initial installed sag and on proper handling during installation. The design shape of cable system has an affect on the sag and pretension, and must be determined using well-defined design philosophy. This paper is carried out the comparative data of the deflection and tensile forces on the geometric non-linear analysis of cable network systems according to sag ratio. The study of cable network system is provided to technical informations for the design of a large span cable roof, analytical results are compared with the results of other researchers. Structural nonlinear analysis of systems having cable elements is relatively complex than other rigid structural systems because displacements are large as a reason of flexibility, initial prestress is applied to cables in order to increase the rigidity, and then divergence of nonlinear analysis occurs rather frequently. Therefore, cable network systems do not exhibit a typical nonlinear behavior, iterative method that can handle geometric nonlinearities are necessary.
Cable-beam structures characterized by variable stiffness nonlinearities are widely found in various structural engineering applications, for example in space deployable structures. Space deployable structures in orbit experience both high temperature caused by sun's radiation and low temperature by Earth's umbral shadow. The space temperature difference is above 300K at the moment of exiting or entering Earth's umbral shadow, which results in structural thermally induced vibration. To understand the thermally induced oscillations, the analytical expression of Boley parameter of cable-beam structures is firstly deduced. Then, the thermally induced vibration of cable-beam structures is analyzed using finite element method to verify the effectiveness of Boley parameter. Finally, by analyzing the obtained numerical results and the corresponding Boley parameters, it can be concluded that the derived expression of Boley parameter is valid to evaluate the occurrence conditions of thermally induced vibration of cable-beam structures and the key parameters influencing structural thermal flutter are the cable stiffness and thickness of beams.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.8
no.5
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pp.95-105
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2008
The objective of this study is find out the stressed condition, slipped direction and slipped dimension when some elements of cable-membrane structures are slipped from it's initially designed coordinates by external loads as wind or non uniform load and so on. In order to search the slipped behaviors of cable-membrane structures, a ALE finite element formulation is introduced. In these procedures, a stiffness matrix related with ALE concept is formulated and a FE analysis program for cable-membrane structures with slipped elements is developed.
In spatial structures with large spaces, one important issue in structures with large spaces is how to carry the weight of the roof. A tensegrity cable dome structure is a kind of soft structural system using the tension cable and compression column as a main element. The tensegrity cable dome is built into a variety of shape around the world but then a collapse accident is increasing. Owing to a collapse accident we must grip of the collapse mechanism to prevent an accident and construct the structure with safety and economy. In this study, I investigated the unstable characteristics of the Geiger-type and Flower-type tcnsegrity cable dome structures, which is the lightweight hybrid structures using compression and tension elements continuously, according to the difference of loading conditions.
Suspen-dome structures are extensively used due to their superiority over traditional structures. The friction between cable and joints may severely influence the distribution of cable force, especially during the pre-stressing construction period. An accurate and efficient numerical method has not yet been developed that can be used for estimating the influence of friction on cable force distribution. Thus, this study proposes an efficient friction element to simulate friction between cable and joint. A flowchart for estimating the value of friction force is introduced. These novel numerical methods were adopted to estimate the influence of friction on cable force distribution. The accuracy and efficiency of these numerical methods were validated through numerical tests.
This paper presents a refined finite element formulation for nonlinear static and dynamic analysis of sliding cable structures, overcoming the limitation of the existing approaches that neglect or approximate the friction, pulley dimension, temperature and geometric nonlinearity. A new family of elements with the same framework is proposed, consisting of the cable-pulley (CP) elements considering sliding friction, and the non-sliding cable-pulley (NSCP) elements considering static friction. Thereafter, the complete procedure of static and dynamic analysis using the proposed elements is developed, with the capability of accurately dealing with the friction at each pulley. Several examples are utilized to verify the validity and accuracy of the proposed elements and analysis strategy, and investigate the frictional, thermal and pulley-dimension effects as well. The numerical examples show that the results obtained in this work are in good accordance with the existing works when using the same approximations of friction, pulley dimension and temperature. By avoiding the approximations, the proposed formulation can be effectively adopted in predicting the more precise nonlinear responses of sliding cable structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.5
no.4
s.18
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pp.79-90
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2005
The purpose of this study is development of a finite element algorithm to find out the stressed condition, slipped direction and slipped dimension when some elements of cable-membrane structures are slipped from it's initially designed coordinates by external loads as wind or non uniform load and so on. In order to search the slipped behaviors of cable-membrane structures, a Arbitrarily-Lagrangian-Eulerian(ALE) finite element formulation is introduced. In these procedures, a stiffness matrix related with ALE concept is formulated and a FE analysis program for cable-membrane structures with slipped elements is developed. Various examples for cable and membrane structures are presented to verify the program's validation. The results are shown good agreement with that of existed one.
The recent large-spatial structures are frequently made from light-weight structural system and it has a good mechanical efficiency and uses new materials. The large space is made by light-weight structural system using tension members mainly, and generally it is called a soft structure. The cable dome structures which are a soft structures are very flexible, the stresses and nodal coordinates of other members are changed when we control the stress of one member. Therefore, we have to do two kind of works for effective and accurate construction of the cable dome structures. The first work is making a working scenario to complete the final objective form and the second is revising constructional errors occurred in process of the actual works. These works are called constructional analysis. At this time, we have to consider geometric nonlinearity to reflect the sensitivity by the initial stresses of cable dome structures, and constructional analysis comes down to a nonlinear problem after all. In this study, we try to approach the constructional analysis of the cable dome structures using the numerical method, and then verify it.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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