Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.45-52
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2003
A finite element procedure to estimate ultimate strength of space frames considering spread of plasticity is presented. The improved displacement field is introduced based on inclusion of second order terms of finite rotations. All the nonlinear terms due to bending and torsional moment as well as axial force are precisely considered. The concept of plastic hinge is introduced and the incremental load/displacement method is applied for the elasto-plastic analysis. The initial yield surface is defined based on the residual stress and the full plastification surface is considered under the combined action of axial force, bending and torsional moments. The elasto-plastic stiffness matrices are derived using the flow rule and the normality condition of the limit function. Finite element solutions for ultimate strength of space frames are compared with available solutions and experimental results.
Pultruded cross-sections are always thin-walled due to constraints in the manufacturing process. Thus, the buckling strength determines the overall strength of the member. The elastic buckling of pultruded angle sections subjected to direct compression is studied. The lateral-torsional buckling, very likely to appear in thin-walled cross-sections, is investigated. Plate theory is used to allow for cross-sectional distortion. Shear effects and bending-twisting coupling are accounted for in the analysis because of their significant role. A simplified approach for determining the maximum load of equal leg angle sections under compression is presented. The analytical results obtained in this study are compared to the manufacturer's design guidelines for compression members as well as with the design specifications for steel structural members. Experimental results are obtained for various length specimens of pultruded angle sections. The results presented in this paper correspond to actual pultruded equal leg angle sections being used in civil engineering structures.
In this paper the formulation of an efficient frame element applicable for nonlinear analysis of 3D reinforced concrete (RC) frames is outlined. Interaction between axial force and bending moment is considered by using the fibre element approach. Further, section warping, effect of normal and tangential forces on the torsional stiffness of section and second order geometrical nonlinearities are included in the model. The developed computer code is employed for nonlinear static analysis of RC sub-assemblages and a simple approach for extending the formulation to dynamic cases is presented. Dynamic progressive collapse assessment of RC space frames based on the alternate path method is undertaken and dynamic load factor (DLF) is estimated. Further, it is concluded that the torsional behaviour of reinforced concrete elements satisfying minimum standard requirements is not significant for the framed structures studied.
Bernoulli-Euler beam theory is used to develop an exact dynamic stiffness matrix for the flexural-torsional coupled motion of a three-dimensional, axially loaded, thin-walled beam of doubly asymmetric cross-section. This is achieved through solution of the differential equations governing the motion of the beam including warping stiffness. The uniform distribution of mass in the member is also accounted for exactly, thus necessitating the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, examples are given to confirm the accuracy of the theory presented, together with an assessment of the effects of axial load and loading eccentricity.
Ro Kyong Min;Kim Yoon Sung;Kim Min Sook;Lee Young Hak
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.4
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pp.43-50
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2023
This study aims to assess the seismic performance of retrofitted reinforced concrete columns using a Replaceable Steel Brace (RSB) system, subjected to combined axial, lateral, and torsional loadings. Through experimental testing, one non-retrofitted concrete column specimen and two retrofitted specimens with variable sliding slot lengths were subjected to eccentric lateral loads to simulate realistic seismic loading. The retrofitted specimens with RSBs exhibited enhanced resistance against shear cracking, effective torsional resistance, and demonstrated the feasibility of easy replacement. The RSB system substantially improved seismic performance, achieving approximately 1.7 times higher load capacity and 3.5 times greater energy dissipation compared to non-retrofitted column, thus validating its efficacy under combined loading conditions.
Fiber reinforced composite materials have outstanding specific strength and specific stiffness. So the use of composite materials increases in various kinds of industrial fields including sports goods such as bicycles. Composite materials are used to make structural parts with various kinds of shapes. Specially, rectangular composite tubes are used to make a few of composite bicycle frames, but there has been a few of research on this issue. Rectangular composite tubes are designed to have appropriate radius of curvature and endure bending and torsional loads. In this research, nine kinds of rectangular composite tubes having aspect ratios 1:1, 1:1.5, 1:2 and radius of curvatures R5, R10, R15 were fabricated. The carbon fiber reinforced composite material was used to make tubes having same cross sectional areas. The stacking sequence of tubes is $[0/90/{\pm}45]s$. Experimental evaluation was accomplished to apply bending and torsional load to the tubes. Experimental results show that bending and torsional characteristics depend on radius of curvature and aspect ratio of rectangular composite tubes.
The basic mechanical properties of helicopter rotor blade are important parameters for the analysis of helicopter performance. However, it is difficult to estimate these properties because the most of rotor blades consist of various materials such as composite materials and metals, etc. In this paper, the bending/torsional stiffness for composite rotor blade of unmanned helicopter were evaluated through experimental and analytical studies. In finite element analysis, the bending/torsional stiffness were evaluated through the relationship of load-displacement and element stiffness matrix. The evaluated stiffness from the measured strains and displacements in bending and torsional test agreed well with the derived results of FEA.
Kim, Dong-Hyeop;Kim, Young-Cheol;Kim, Sang-Woo;Lee, Jong Whan
Journal of Aerospace System Engineering
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v.14
no.6
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pp.18-25
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2020
This study investigated the structural behaviors and safety of an electro-mechanical linear actuator and a load simulator with a plate spring. The material and dimensions of the plate spring were determined by theoretically calculating the stress and torsional angle for the rating load of the actuator. Thereafter, a flexible multibody dynamics (FMBD) analysis was conducted on the linear actuator and load simulator to confirm the performance of the load simulator and acquire the reaction forces acting on the actuator and simulator. The structural safety of the linear actuator and load simulator was evaluated via finite element analysis using the aforementioned reaction forces. Consequently, the proposed linear actuator and load simulator were determined to be structurally safe; however, the safety factors for the actuation rod and the housing on the actuator were excessively high. Therefore, the weight and cost must be reduced to improve their design parameters in the future.
According to deformation features of pre-twisted bar, its elastic bending and torsion buckling equation is developed in the paper. The equation indicates that the bending buckling deformations in two main bending directions are coupled with each other, bending and twist buckling deformations are coupled with each other as well. However, for pre-twisted bar with dual-axis symmetry cross-section, bending buckling deformations are independent to the twist buckling deformation. The research indicates that the elastic torsion buckling load is not related to the pre-twisted angle, and equals to the torsion buckling load of the straight bar. Finite element analysis to pre-twisted bar with different pre-twisted angle is performed, the prediction shows that the assumption of a plane elastic bending buckling deformation curve proposed in previous literature (Shadnam and Abbasnia 2002) may not be accurate, and the curve deviates more from a plane with increasing of the pre-twisting angle. Finally, the parameters analysis is carried out to obtain the relationships between elastic bending buckling critical capacity, the effect of different pre-twisted angles and bending rigidity ratios are studied. The numerical results show that the existence of the pre-twisted angle leads to "resistance" effect of the stronger axis on buckling deformation, and enhances the elastic bending buckling critical capacity. It is noted that the "resistance" is getting stronger and the elastic buckling capacity is higher as the cross section bending rigidity ratio increases.
In an actual design, none of the structures with shear behaviors will be designed for torsional moments. Any failure or damages to roofs, infills, shear walls, and braces caused by an earthquake, will inevitably result in relocation of center of mass and rigidity of the structure. With these changes, the dynamic characteristics of structure could be changed during an earthquake at any moment. The main objective of this paper is to obtain the relationship between time-varying eccentricity of load and corner lateral displacement. In this study, various methods have been used to determine the structural response for time-varying lateral corner displacement. As will be seen below, some of the structural calculation methods result in a significant deviation from the actual results, although these methods include the interaction effects of modes. Controlling the lateral displacement of structure can be performed in different ways such as, passive dampers, friction dampers, semi-active systems including the MR damper and active Systems. Selecting and locating these control systems is very important to bring the maximum safety with minimum cost into the structure. According to this study will be show the relation between the corner lateral displacements of structure and time-varying eccentricity by different kind of methods during an earthquake. This study will show that the response of the structure at the corners due to an earthquake can be very destructive and because of changing the eccentricity of load, calculating the maximum possible response of system can be carried out by this method. Finally, some kind of systems must be used for controlling these displacements. The results shows that, the CQC, DSC and exact methods is comply each other but the results of Vanmark method is not comfortable for these kind of buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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