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.
Menegon, Scott J.;Wilson, John L.;Lam, Nelson T.K.;Gad, Emad F.
Computers and Concrete
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제25권4호
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pp.327-341
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2020
Advanced forms of structural design (e.g., displacement-based methods) require knowledge of the non-linear force-displacement behavior of both the overall building and individual lateral load resisting elements, i.e., walls or building cores. Similarly, understanding the non-linear behaviour of the elements in a structure can also allow for a less conservative structural response to be calculated by better understanding the cracked (i.e., effective) properties of the various RC elements. Calculating the non-linear response of an RC section typically involves using 'black box' analysis packages, wherein the user may not be in complete control nor be aware of all the intricate settings and/or decisions behind the scenes. This paper introduces a user-friendly and transparent analysis program for predicting the back-bone force displacement behavior of slender (i.e., flexure controlled) RC walls, building cores or columns. The program has been validated and benchmarked theoretically against both commonly available and widely used analysis packages and experimentally against a database of 16 large-scale RC wall test specimens. The program, which is called WHAM, is written using Microsoft Excel spreadsheets to promote transparency and allow users to further develop or modify to suit individual requirements. The program is available free-of-charge and is intended to be used as an educational tool for structural designers, researchers or students.
Nonlinear response structural optimization using equivalent static loads (NROESL) has been proposed. Nonlinear response optimization is solved by sequential linear response optimization with equivalent static loads which are generated from the nonlinear responses and linear stiffness matrix. The linear stiffness matrix should be obtained in NROESL, and this process can be fairly difficult for some applications. Proportional transformation of loads (PTL) is proposed to overcome the difficulties. Equivalent static loads are obtained by PTL. It is the same as NROESL except for the process of calculating equivalent static loads. PTL is developed for large-scale probems. First, linear and nonlinear responses are evaluated from linear and nonlinear analyses, respectively. At a DOF of the finite element method, the ratio of the two responses is calculated and an equivalent static load is made by multiplying the ratio and the loads for linear analysis. Therefore, the mumber of the equivalent static loads is as many as that of DOF's and an equivalent static load is used with the reponse for the corresponding DOF in the optimization process. All the equivalent static loads are used as multiple loading conditions during linear response optimization. The process iterates until it converges. Examples are solved by using the proposed method and the results are compared with conventional methods.
In this paper, to design Human Powered Aircraft(HPAC) with high aspect ratio wing which behave with large displacement under lift distribution causing a failure itself, then steel wire has been designed to prevent its failure. unit load method is used to calculate reaction force on wire and Optimal Triangle(OPT) membrane is employed to analyze its main wing spar with large displacement. EDISON CSD solver, linear static analysis and co-rotational nonlinear static anaysis both using OPT membrane produce behaviors of beam for each case of wire location about main wing spar, and aerodynamic coefficient also, by using aerodynamic analysis tool.
This paper deals with the geometrical non-linear analyses of the buckled columns. Differential equations governing elasticas of the buckled columns are derived, in which both effects of taper type and shear deformation are included. Three kinds of taper types such as breadth, depth and square tapers are considered. Differential equations are solved numerically to obtain the elasticas and buckling loads of such columns. End constraint of both clamped ends and both hinged ends are considered. The effects of shear deformation on the elastica of the buckled column and buckling load of column are investigated extensively. Experimental studies are presented that complement theoretical results of non-linear responses of the elasticas.
Nonlinear Response Optimization using Equivalent Static Loads (NROESL) method/algorithm is proposed to perform optimization of non-linear response structures. It is more expensive to carry out nonlinear response optimization than linear response optimization. The conventional method spends most of the total design time on nonlinear analysis. Thus, the NROESL algorithm makes the equivalent static load cases for each response and repeatedly performs linear response optimization and uses them as multiple loading conditions. The equivalent static loads are defined as the loads in the linear analysis, which generates the same response field as those in non-linear analysis. The algorithm is validated for the convergence and the optimality. The function satisfies the descent condition at each cycle and the NROESL algorithm converges. It is mathematically validated that the solution of the algorithm satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition of the original nonlinear response optimization problem. The NROESL algorithm is applied to two structural problems. Conventional optimization with sensitivity analysis using the finite difference method is also applied to the same examples. The results of the optimizations are compared. The proposed method is very efficient and derives good solutions.
Non-linear behaviors of multilayer piezoelectric ceramic actuator (MCA) were investigated under electrical and mechanical stress. DC 100 V bias was applied to the MCA to obtain displacement. Laser vibrometer, which using Doppler effect, was employed to characterize displacement caused by $d_{33}$ mode of MCA. To understand this non-linear behavior of MCA, displacement was measured and compared under different load states. By increasing load, electric field-induced strain and piezoelectric constant($d_{33}$) of MCA was decreased. We attribute this phenomenon to the domain wall motion and depoling of MCA under heavy load.
This paper explores the governing differential equations for the non-linear behavior of shear deformable simple beam with a concentrated load. In order to apply the Bernoulli-Euler beam theory to simple beam, the bending moment equation on any point of the elastica is obtained by concentrated load. The Runge-Kutta and Regula-Felsi methods, respectively, are used to integrate the governing differential equations and to compute the beam's rotation at the left end of the beams. The characteristic values of deflection curves for various load parameters are calculated and discussed
Modular steel scaffolds are commonly used as supporting scaffolds in building construction, and traditionally, the load carrying capacities of these scaffolds are obtained from limited full-scale tests with little rational design. Structural failure of these scaffolds occurs from time to time due to inadequate design, poor installation and over-loads on sites. In general, multi-storey modular steel scaffolds are very slender structures which exhibit significant non-linear behaviour. Hence, secondary moments due to both $P-{\delta}$ and $P-{\Delta}$ effects should be properly accounted for in the non-linear analyses. Moreover, while the structural behaviour of these scaffolds is known to be very sensitive to the types and the magnitudes of restraints provided from attached members and supports, yet it is always difficult to quantify these restraints in either test or practical conditions. The problem is further complicated due to the presence of initial geometrical imperfections in the scaffolds, including both member out-of-straightness and storey out-of-plumbness, and hence, initial geometrical imperfections should be carefully incorporated. This paper presents an extensive numerical study on three different approaches in analyzing and designing multi-storey modular steel scaffolds, namely, a) Eigenmode Imperfection Approach, b) Notional Load Approach, and c) Critical Load Approach. It should be noted that the three approaches adopt different ways to allow for the non-linear behaviour of the scaffolds in the presence of initial geometrical imperfections. Moreover, their suitability and accuracy in predicting the structural behaviour of modular steel scaffolds are discussed and compared thoroughly. The study aims to develop a simplified and yet reliable design approach for safe prediction on the load carrying capacities of multi-storey modular steel scaffolds, so that engineers can ensure safe and effective use of these scaffolds in building construction.
Based on translation models, both Gaussian and non-Gaussian wind fields are generated using spectral representation method for investigating the influence of non-Gaussian characteristics and directivity effect of wind load on fatigue damage of wind turbine. Using the blade aerodynamic model and multi-body dynamics, dynamic responses are calculated. Using linear damage accumulation theory and linear crack propagation theory, crack initiation life and crack propagation life are discussed with consideration of the joint probability density distribution of the wind direction and mean wind speed in detail. The result shows that non-Gaussian characteristics of wind load have less influence on fatigue life of wind turbine in the area with smaller annual mean wind speeds. Whereas, the influence becomes significant with the increase of the annual mean wind speed. When the annual mean wind speeds are 7 m/s and 9 m/s at hub height of 90 m, the crack initiation lives under softening non-Gaussian wind decrease by 10% compared with Gaussian wind fields or at higher hub height. The study indicates that the consideration of the influence of softening non-Gaussian characteristics of wind inflows can significantly decrease the fatigue life, and, if neglected, it can result in non-conservative fatigue life estimates for the areas with higher annual mean wind speeds.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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