• Steel and Composite Structures
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• 제13권2호
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• pp.109-122
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• 2012

An efficient and accurate algorithm is proposed to evaluate the reliability of cable-stayed bridges accounting for soil-pile interaction. The proposed algorithm integrates the finite-element method and the response surface method. The finite-element method is used to model the cable-stayed bridge including soil-pile interaction. The reliability index is evaluated based on the response surface method. Uncertainties in the superstructure, the substructure and load parameters are incorporated in the proposed algorithm. A long span steel cable-stayed bridge with a main span length of 1088 m built in China is considered as an illustrative example. The reliability of the bridge is evaluated for the strength and serviceability performance functions. Results of the study show that when strength limit states for both girder and tower are considered, soil-pile interaction has significant effects on the reliability of steel cable-stayed bridges. Further, a detailed sensitivity study shows that the modulus of subgrade reaction is the most important soil-pile interaction-related parameter influencing the reliability of steel cable-stayed bridges.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제82권2호
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• pp.205-224
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• 2022

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.

• 한국해안해양공학회지
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• 제1권1호
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• pp.93-101
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• 1989

본 논문에서는 가이드 타워, 텐션 레그 프랫폼, 무어링 부이, 해저 케이블, 사장교, 현수교, 케이블 루프 등과 같은 해상 및 육상 구조물의 유한요소 모델에 사용하기 위한 기하학적 비선형 케이블 요소를 연구 제시하였으며, 케이블 요소는 평면내에서 임의의 하중과 기하형상을 갖는 케이블에 대한 탄성현수 케이블 이론으로부터의 적합방정식과 연성행렬을 직접 이용하여 유도하였다. 또한, 유도된 케이블 유한요소에 근거하여, 케이블 부재를 사용하는 구조물들의 유한요소 해석을 위해 전산 프로그램을 개발하였으며, 시간영역 동적 해석을 위해 뉴마크-베타의 직접적분법을 사용하였고, 각 시간간격에서의 비선형 평형방정식 및 적합방정식을 풀기 위한 방법으로서 뉴톤-랩슨의 반복법을 사용하였다. 이상과 같이 개발된 전산 프로그램을 이용하여 케이블 부재에 대한 정적 및 동적 해석을 수행한 후 그 결과를 분석ㆍ고찰하여 보았다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제23권1호
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• pp.13-27
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• 2011

본 연구에서는 기하학적 비선형 해석을 통해 완성계 사장교의 주요한 좌굴 거동 특성을 규명하였다. 본 해석 연구에서는 케이블의 자중에 의한 새그효과, 주탑 및 거더의 보-기둥 효과, 그리고 대변위 효과 등의 주요한 기하학적 비선형성이 직접적인 비선형 해석을 통해 고려되었다. 주탑과 거더는 비선형 프레임 요소로 모델링 되었고, 케이블은 비선형 등가 트러스 요소로 모델링 되었다. 차량하중으로 가정된 활하중이 고려되었는데, 활하중 해석 전에 고정하중을 합리적으로 고려하기 위해 초기 형상 해석이 수행되었다. 작용하는 활하중 형태에 따른 주요한 비선형 반응을 케이블 배치 형식에 따라 비교 하였고, 이 후 좌굴 안정성에 큰 영향을 미치는 활하중 형태에 대해 케이블의 배치 형식, 주탑과 거더 간 강성비, 케이블의 단면적, 케이블의 단수 등의 기하학적 특성이 좌굴 모드 및 임계 하중 계수의 변화에 미치는 영향을 규명하였다.

• 한국공간구조학회논문집
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• 제17권3호
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• pp.45-55
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• 2017

The objective of this study is to estimate the mechanical characteristics and nonlinear behaviors on the geometric nonlinear analysis of curved cable-membrane roof systems for long span lightweight roof structures. The weight of a cable-membrane roof dramatically can reduce, but the single layer cable-membrane roof systems are too flexible and difficult to achieve the required structural stiffness. A curved cable roof system with reverse curvature works more effectively as a load bearing system, the pretension of cables can easily increase the structural stiffness. The curved cable roof system can transmit vertical loads in up and downward direction, and work effectively as a load bearing structure to resists self-weights, snow and wind loads. The nonlinear behavior and mechanical characteristics of a cable roof system has greatly an affect by the sag and pretension. This paper is carried out analyzing and comparing the tensile forces and deflection of curved roof systems by vertical loads. The elements for analysis uses a tension only cable element and a triangular membrane element with 3 degree of freedom in each node. The authors will show that the curved cable-membrane roof system with reverse curvature is a very lightweight and small deformation roof for external loads.

• 한국지진공학회논문집
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• 제2권2호
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• pp.95-104
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• 1998

수중 케이블의 동적 거동은 비선형 거동을 보이게 되는데 특히 기하하적 비선형성에 크게 영향을 받는다. 또한, 유체의 흐름으로 인하여 동적 거동의 해석은 더욱 복잡하고 어려워지기 때문에 해석적인 접근 방법에는 한계가 있다. 본 연구에서는 탄성 현수선 케이블요소에 동수력을 고려할 수 있게 하였다. 즉, 동수력을 받는 3차원 탄성 현수선 케이블를 정식화하고, 정적 및 동적 해석을 수행할 수 있는 유한요소 방법을 제시하였다. 동수력은 수정된 Morison 방정식을 이용하여 산정하였다. 제시된 방법으로 구한 수중케이블에 관한 동적 거동을 파악하려 하였으며, 정박 또는 예인에 사용하는 수중케이블의 경우 조류의 방향 및 케이블의 경사각에 따른 동적거동의 변화를 알아볼 수 있다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제18권6호
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• pp.727-735
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• 2006

본 논문에서는 선행논문(김 등, 2005)을 확장하여 다절점 케이블요소를 포함하는 보-기둥 요소의 기하학적 비선형성에 대해서 논의하기로 한다. 먼저 이를 위해서Hermitial 다항식을 형상함수로 채택하고 보-기둥요소의 2차 효과를 포함하는 접선강도행렬에 다절점 케이블-트러스 요소에 대한 접선강도 행렬을 추가하여 전체좌표계에 대한 접선강도행렬을 구성하고 하중증분법에 의한 유한요소 해석과정을 제시한다. 이렇게 새로이 개발된 다절점 케이블-트러스 요소를 포함하는 뼈대 구조물의 기하학적 비선형성과 그 타당성을 검증하기 위하여 IPS(Innovative Prestressed Support) 시스템의 기하학적 비선형 해석을 실시하고 이의 결과를 선형탄성해석의 결과와 비교한다.

• Computers and Concrete
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• 제11권1호
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• pp.75-91
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• 2013

In this paper, a new approach for cable layout design of pre-stressed concrete slabs is presented. To account the cable profile accurately, it is modelled by B-spline. Using the convex hull property of the B-spline, an efficient algorithm has been developed to obtain the cable layout for pre-stressed concrete slabs. For finite element computations, tendon and concrete are modelled by 3 noded bar and 20 noded brick elements respectively. The cable concrete interactions are precisely accounted using vector calculus formulae. Using the proposed technique a two way prestressed concrete slab has been successfully designed considering several design criteria.

• 대한토목학회논문집
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• 제30권1A호
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• pp.1-13
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• 2010

본 연구에서는 사장교의 기하학적 비선형 거동을 기하학적 비선형 유한요소 해석을 통해 분석한다. 사장교의 주탑 및 거더는 휨 모멘트 뿐만 아니라 케이블의 장력에 의해 축력이 작용한다. 즉, 거더와 주탑은 보-기둥 부재와 같이 휨모멘트와 축력의 상호작용에 의한 대변위 거동을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 기하학적 비선형 해석을 통해 완성계 사장교의 대변위 효과, 주탑 및 거더의 보-기둥 효과 그리고 케이블의 새그효과가 모두 고려된 비선형 거동을 검토하였다. 거더 및 주탑은 6자유도 프레임 요소로 모사하고 사장교 케이블은 새그효과를 효율적으로 고려하기 위해 3자유도 등가 트러스 요소를 사용하여 모사하였다. 해석은 먼저 사하중에 대한 초기 형상 해석을 통해 사하중을 고려하고, 이 후 각기 다른 형태의 활하중에 대한 기하학적 비선형 해석을 수행하였다. 해석 후 각 모델의 변형형상, 각 주요 지점의 하중-변위곡선, 케이블 장력의 변화등의 정량적 수치를 분석하여 고려한 활하중 형태 및 사장교 형식에 대한 주요 기하학적 비선형 거동을 규명하였다.

• Steel and Composite Structures
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• 제21권5호
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• pp.1031-1043
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• 2016

Optimization of the construction scheme of the cable-strut tensile structure based on error sensitivity analysis is studied in this paper. First, the element length was extracted as a fundamental variable, and the relationship between element length change and element internal force was established. By setting all pre-stresses in active cables to zero, the equation between the pre-stress deviation in the passive cables and the element length error was obtained to analyze and evaluate the error effects under different construction schemes. Afterwards, based on the probability statistics theory, the mathematical model of element length error is set up. The statistical features of the pre-stress deviation were achieved. Finally, a cable-strut tensile structure model with a diameter of 5.0 m was fabricated. The element length errors are simulated by adjusting the element length, and each member in one symmetrical unit was elongated by 3 mm to explore the error sensitivity of each type of element. The numerical analysis of error sensitivity was also carried out by the FEA model in ANSYS software, where the element length change was simulated by implementing appropriate temperature changes. The theoretical analysis and experimental results both indicated that different elements had different error sensitivities. Likewise, different construction schemes had different construction precisions, and the optimal construction scheme should be chosen for the real construction projects to achieve lower error effects, lower cost and greater convenience.