The aim of this study is to investigate the effect of stiffened element and edge stiffener in the behaviour and flexural strength of built-up cold-formed steel beams. An experimental and analytical analysis of CFS channel sections in four different geometries is conducted, including simple channel sections, a stiffened channel section with or without edge stiffeners. Nonlinear finite element models are developed using finite element analysis software package ANSYS. The FEA results are verified with the experimental results. Further, the finite element model is used for parametric studies by varying the depth, thickness, and the effect of stiffened element, edge stiffener and their interaction with compression flanges on stiffened built-up cold-formed steel beams with upright edge stiffeners. In addition, the flexural strength predicted by the finite element analysis is compared with the design flexural strength calculated by using the North American Iron and Steel Institute Specifications for cold-formed steel structures (AISI: S100-2007) and suitable suggestion is made.
In this study, static bending of edge cracked micro beams is studied analytically under uniformly distributed transverse loading based on modified couple stress theory. The cracked beam is modelled using a proper modification of the classical cracked-beam theory consisting of two sub-beams connected through a massless elastic rotational spring. The deflection curve expressions of the edge cracked microbeam segments separated by the rotational spring are determined by the Integration method. The elastic curve functions of the edge cracked micro beams are obtained in explicit form for cantilever and simply supported beams. In order to establish the accuracy of the present formulation and results, the deflections are obtained, and compared with the published results available in the literature. Good agreement is observed. In the numerical study, the elastic deflections of the edge cracked micro beams are calculated and discussed for different crack positions, different lengths of the beam, different length scale parameter, different crack depths, and some typical boundary conditions. Also, the difference between the classical beam theory and modified couple stress theory is investigated for static bending of edge cracked microbeams. It is believed that the tabulated results will be a reference with which other researchers can compare their results.
본 연구의 목적은 수평하중 하의 테두리보가 있는 플랫플레이트 시스템의 해석 방법을 제안 하는 것이다. 플랫플레이트 시스템은 보 없이 기둥이 직접 지지하는 구조로 정의되지만 일반적으로 설계에서는 테두리보를 설치하여 사용하고 있다. 수평하중 하의 플랫플레이트를 해석 할 수 있는 방법으로는 ACI 318 (2005)에서 유한요소법, 유효보폭법, 등가골조법을 제시하고 있다. 그 중 유효보폭법은 슬래브를 보요소로 치환함으로써 실용적인 해석이 가능하도록 하는 해석 방법이다. 유효보폭법에서의 보 요소는 슬래브와 같은 두께와 실제 슬래브에 대하여 어떠한 비율로 정의되는 유효보폭으로 정의된다. 그러나 유효보폭법에 관한 연구는 기하학적 변수에 대한 연구나 강성 감소 계수에 관한 연구가 일반적이고 테두리보를 고려해 줄 수 있는 유효보폭모델에 관한 연구는 아직 미미한 실정이다. 본 연구에서는 테두리보가 없는 플랫 플레이트 시스템의 횡 강성보다 테두리보가 있는 플랫플레이트 시스템의 횡 강성이 더 큰 강성을 확보하는 것을 검증하였다. 따라서 테두리보의 영향을 고려할 수 있는 플랫플레이트 시스템의 해석 방법이 제시되어야 할 필요가 있다고 판단된다. 본 연구에서는 수평하중에 대한 테두리보가 있는 플랫플레이트의 유효보폭모델을 제안하였다. 제안된 모델의 검증을 위하여 제안된 유효보폭모델의 결과값을 유한요소해석의 결과값과 비교하였다. 또한 제안된 유효보폭모델의 결과값과 기존에 수행된 실험의 결과와 비교하였다.
This paper focuses on large deflection static behavior of edge cracked simple supported beams subjected to a non-follower transversal point load at the midpoint of the beam by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. The cross section of the beam is circular. The cracked beam is modeled as an assembly of two sub-beams connected through a massless elastic rotational spring. It is known that large deflection problems are geometrically nonlinear problems. The considered highly nonlinear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. There is no restriction on the magnitudes of deflections and rotations in contradistinction to von-Karman strain displacement relations of the beam. The beams considered in numerical examples are made of Aluminum. In the study, the effects of the location of crack and the depth of the crack on the non-linear static response of the beam are investigated in detail. The relationships between deflections, end rotational angles, end constraint forces, deflection configuration, Cauchy stresses of the edge-cracked beams and load rising are illustrated in detail in nonlinear case. Also, the difference between the geometrically linear and nonlinear analysis of edge-cracked beam is investigated in detail.
본 연구에서는 쉘의 테두리를 보가 둘러싸고 있는 전통적인 형태와 모서리보를 제거한 형태의 모임지붕형 쌍곡포물선쉘구조의 유한요소해석결과비교를 통해 모서리보의 역할을 확인하고, 또한 지붕의 경사도의 영향을 분석하였다. 유한요소해석에 의하면 쉘면에 작용하는 하중은 쉘 대각선 방향의 아치작용을 통해 모퉁이의 지점에 직접 전달되므로 막이론에 비해 테두리보에는 부재력이 작게 작용하고 모퉁이의 지점 부분의 쉘에는 응력이 증가되는 것으로 나타났다. 모서리보를 제거하면 지점 부근의 쉘에 더욱 응력이 집중되고 경사진 모서리 부분의 처짐이 증가하는데 이와 같은 현상은 지붕의 경사도가 낮아짐에 따라 현저해지는 것으로 나타났다. 따라서, 모임지붕형 쌍곡포물선쉘 구조에서는 지점 부분의 쉘두께를 보다 증가할 필요가 있으며 경사도가 낮은 쌍곡포물선쉘 구조의 모서리보 제거는 주의가 필요한 것으로 나타났다.
Nasam S. Khater;Mahmoud H. El-Boghdadi;Nashwa M. Yossef
Steel and Composite Structures
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제51권3호
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pp.225-241
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2024
For several reasons, cold-formed steel (CFS) beams are often manufactured with holes. Nevertheless, because of holes, the reduction in the web area causes a decrease in the bending strength. Edge stiffeners are presently added around the holes to improve the bending strength of flexural members. Therefore, this research studies CFSZ-beams with stiffened holes and investigates how edge stiffener affects bending strength and failure modes. Nonlinear analysis was carried out using ABAQUS software and the developed finite element (FE) model was verified against tests from previous studies. Using the verified FE model, a parametric study of 104 FE models was conducted to investigate the influence of key parameters on bending strength of Z- sections. The results indicated that the effect of holes is less noticeable in very thin Z-sections. Moreover, adding edge stiffeners around the holes improves the flexural capacity of Z-beams and sometimes restores the original bending capacity. Because the computational techniques used to solve the CFS buckling mode with stiffened holes are still unclear, a numerical method using constrained and unconstrained finite strip method (CUFSM) software was proposed to predict the elastic distortional buckling moment for a wide variety of CFSZ-sections with stiffened holes. A numerical method with two procedures was applied and validated. Upon comparison, the numerical method accurately predicted the distortional buckling moment of CFS Z-sections with stiffened holes.
In this study, free vibration analysis of an edge cracked multilayered symmetric sandwich beams made of functionally graded materials are investigated. Modelling of the cracked structure is based on the linear elastic fracture mechanics theory. Material properties of the functionally graded beams change in the thickness direction according to the power and exponential laws. To represent functionally graded symmetric sandwich beams more realistic, fifty layered beam is considered. Composition of each layer is different although each layer is isotropic and homogeneous. The considered problem is carried out within the Timoshenko first order shear deformation beam theory by using finite element method. A MATLAB code developed to calculate natural frequencies for clamped and simply supported conditions. The obtained results are compared with published studies and excellent agreement is observed. In the study, the effects of crack location, depth of the crack, power law index and slenderness ratio on the natural frequencies are investigated.
Chinnapandi, Lenin Babu Mailan;Pitchaimani, Jeyaraj;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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제44권6호
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pp.829-843
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2022
This manuscript work presents a comprehensive continuum model capable to investigate the effect of porosity on vibro-acoustic behaviour of functionally graded (FG) beams resting on an elastic foundation subjected to thermal and mechanical loadings. Effects of uniform temperature rise and edge compressive load on the sound radiation characteristics are studied in a comparative manner. The numerical analysis is carried out by combining finite element method with Rayleigh's integral. Detailed parametric studies are accomplished, and influences of power law index, porosity volume, porosity distribution and boundary conditions on the vibro-acoustic response characteristics are analyzed. It is found that the vibro-acoustic response under mechanical edge compression is entirely different compared to from that under the thermal load. Furthermore, nature of grading of porosity affects the sound radiation behaviour for both the loads. The proposed model can be used to obtain the suppression performance of vibration and noise FG porous beams under thermal and mechanical loads.
Delaminations and cracks are common failures in structures. They may significantly reduce the stiffness of the structure and affect their vibration characteristics. In the present study, an analytical solution is developed to study the effect of an edge crack on the vibration characteristics of delaminated beams. The rotational spring model, the 'free mode' and 'constrained mode' assumptions in delamination vibration are adopted. This is the first study on how an edge crack affects the vibration characteristic of delaminated beams and new nondimensional parameters are developed accordingly. The crack may occur inside or outside the delaminated area and both cases are studied. Results show that the effect of delamination length and thickness-wise location on reducing the natural frequencies is aggravated by an increasing crack depth. The location of the crack also influences the effect of delamination, but such influence is different between crack occurring inside and outside the delaminated area. The difference of natural frequencies between 'free mode' and 'constrained mode' increases then decreases as the crack moves from one side of the delaminated region to the other side, peaking at the middle. The analytical results of this study can serve as the benchmark for FEM and other numerical solutions.
This paper proposes a transfer matrix method for the bending vibration of two types of tapered beams subjected to axial force, and it is applied to analyze tapered beams with an edge or multiple edge open cracks. One beam type is assumed to be reduced linearly in the cross-section height along the beam length. The other type is a tapered beam in which the cross-section height and width with the same taper ratio is linearly reduced simultaneously. Each crack is modeled as two sub-elements connected by a rotational spring, and the method can evaluate the effect of cracking on the desired number of eigenfrequencies using a minimum number of subdivisions. Among the power series available for the solutions, the roots of the differential equation are computed using the Frobenius method. The computed results confirm the accuracy of the method and are compared with previously reported results. The effectiveness of the proposed methods is demonstrated by examining specific examples, and the effects of cracking and axial loading are carefully examined by a comparison of the single and double tapered beam results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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