The effective length method for flexural (column) buckling has been used for many decades but its use is somewhat limited in various contemporary design codes to moderately slender structures with elastic critical load factor (${\lambda}_{cr}$) less than 3 to 5. In pace with the use of higher grade steel in recent years, the influence of buckling in axial buckling resistance of a column becomes more important and the over-simplified assumption of effective length factor can lead to an unsafe, an uneconomical or a both unsafe and uneconomical solution when some members are over-designed while key elements are under-designed. Effective length should not normally be taken as the distance between nodes multiplied by an arbitrary factor like 0.85, 1.0, 2.0 etc. Further, the classification of non-sway and sway-sensitive frames makes the conventional design procedure tedious to use and, more importantly, limited to simple regular frames. This paper describes the practical use of second-order analysis with section capacity check allowing for $P-{\delta}$ and $P-{\Delta}$ effects together with member and system imperfections. Most commercial software considers only the $P-{\Delta}$ effect, but not member and frame imperfections nor $P-{\delta}$ effect, and engineers must be very careful in their uses. A verification problem is also given for validation of software for this type of powerful second-order analysis and design. It is a trend for popular and advanced national design codes in using the second-order analysis as a norm for analysis and design of steel structures while linear analysis may only be used in very simple structures.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.9
no.2
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pp.59-65
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2000
In this paper the comparison of the first order approximation schemes such as SLP(sequential linear programming) CONLIN(convex linearization) MMA(method of moving asymptotes) and the second order approximation scheme SQP(sequential quadratic programming) was accomplished for optimization of nonlinear structures. It was found that MMA and SQP are the most efficient methods for optimization. But the number of function call of SQP is much more than that of MMA. Therefore when it is considered with the expense of computation MMA is more efficient than SQP. In order to examine the efficiency of MMA for complex optimization problem it was applied to the helicopter tail boom con-sidering column buckling and local wall buckling constraints. it is concluded that MMA can be a very efficient approxima-tion scheme from simple problems to complex problems.
Chicoine, Thierry;Tremblay, Robert;Massicotte, Bruno
Steel and Composite Structures
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v.2
no.3
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pp.171-194
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2002
In this paper, the behaviour of axially loaded partially encased composite columns made with light welded H steel shapes is examined using ABAQUS finite element modelling. The results of the numerical simulations are compared to the response observed in previous experimental studies on that column system. The steel shape of the specimens has transverse links attached to the flanges to improve its local buckling capacity and concrete is poured between the flanges only. The test specimens included 14 stubcolumns with a square cross section ranging from 300 mm to 600 mm in depth. The transverse link spacing varied from 0.5 to 1 times the depth and the width-to-thickness ratio of the flanges ranged from 23 to 35. The numerical model accounted for nonlinear stress-strain behaviour of materials, residual stresses in the steel shape, initial local imperfections of the flanges, and allowed for large rotations in the solution. A Riks displacement controlled strategy was used to carry out the analysis. Plastic analyses on the composite models reproduced accurately the capacity of the specimens, the failure mode, the axial strain at peak load, the transverse stresses in the web, and the axial stresses in the transverse links. The influence of applying a typical construction loading sequence could also be reproduced numerically. A design equation is proposed to determine the axial capacity of this type of column.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.10
no.2
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pp.1-5
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2010
The efficient beam members for modern greenhouse need to be much lightweight with the required flexural and buckling strength. To confirm the applicability and practicality of the trussed web beam recently proposed for column and beam members of greenhouse, the flexural behavior and buckling characteristics were analyzed by the finite element approach. On the basis of analytical studies, the member design process was presented considering the lateral and local buckling behavior. Also, two improved alternatives which were capable of retaining the lateral and local buckling effectively were suggested.
Fiber reinforced polymer (FRP) columns are increasingly being used in various engineering fields due to its high strength to weight ratio and corrosion resistance. Being a thin-walled structure, their designs are often governed by buckling.Buckling strength depends on state of stress of elements which is greatly influence by stacking sequence and various inaccuracies such as geometric imperfections and imperfections due to eccentricity of compressive load and non-uniform boundary conditions. In the present work, influence of load eccentricity on buckling strength of FRP column has been investigated by conducting parametric study. Numerical analyses were carried out by using finite element software ABAQUS. The finite element (FE) model was validated using experimental results from the literature, which demonstrated good agreement in terms of failure loads and deformed shapes.The influence of load eccentricity on buckling behavior is discussed with the help of developed graphs.
Kim, Sung Bo;Han, Man Yop;Kim, Moon Young;Kim, Nak Kyung;Han, Jin Hee
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.5
s.78
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pp.627-636
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2005
The analysis and design procedure of intermediate support strut for the innovative prestressed scaffolding (IPS) system was presented in this paper. The stability check of intermediate support strut is required as the behavior of the strut system is similar to that of the built-up column. The computer analysis model of the support strut was constructed for in-plane and out-of-plane buckling analysis, and the design of the support strut was performed. Using the eigenvalue for the buckling load and the member forces of support strut under design earth pressure, the effective buckling length was estimated. The allowable axial and bending stresses were calculated considering the effective buckling length. The combined stresses due to these axial forces and bending moment were estimated to be satisfied the safety condition of the intermediate support strut.
The effect of element interaction and material nonlinearity on the ultimate capacity of stainless steel plated cross-sections is investigated in this paper. The focus of the research lies in cross-sections failing by local buckling; member instabilities, distortional buckling and interactions thereof with local buckling are not considered. The cross-sections investigated include rectangular hollow sections (RHS), I sections and parallel flange channels (PFC). Based on previous finite element investigations of structural stainless steel stub columns, parametric studies were conducted and the ultimate capacity of the aforementioned cross-sections with a range of element slendernesses and aspect ratios has been obtained. Various design methods, including the effective width approach, the direct strength method (DSM), the continuous strength method (CSM) and a design method based on regression analysis, which accounts for element interaction, were assessed on the basis of the numerical results, and the relative merits and weaknesses of each design approach have been highlighted. Element interaction has been shown to be significant for slender cross-sections, whilst the behaviour of stocky cross-sections is more strongly influenced by the material strain-hardening characteristics. A modification to the continuous strength method has been proposed to allow for the effect of element interaction, which leads to more reliable ultimate capacity predictions. Comparisons with available test data have also been made to demonstrate the enhanced accuracy of the proposed method and its suitability for the treatment of local buckling in stainless steel cross-sections.
The effective length factor of a framed column may be determined by means of the alignment chart procedure. This method is based on many unrealistic assumptions, among which is that all columns have the same stiffness parameter, which is dependent on the length, axial load, and moment of inertia of the column. A new approximate method is developed for the determination of effective length factors for columns in unbraced frames. This method takes into account the effects of inelastic column behaviour, far end conditions of the restraining beams and columns, semi-rigid beam-to-column connections, and differentiated stiffness parameters of columns. This method may be implemented on a microcomputer. A numerical study was carried out to demonstrate the extent to which the involved parameters affect the K factor. The beam-to-column connection stiffness, the stiffness parameter of columns, and the far end conditions of restraining members have a significant effect on the K factor of the column under investigation. The developed method is recommended for design purposes.
According to the capacity design concept which forms the basis of the current steel seismic codes, the braces in concentrically braced frames (CBFs) should dissipate seismic energy through cyclic tension yielding and cyclic compression buckling while the beams and the columns should remain elastic. Brace buckling in inverted V-braced frames induces unbalanced vertical forces which, in turn, impose the additional beam moments and column axial forces. However, due to difficulty in predicting the location of buckling stories, the most conservative approach implied in the design code is to estimate the column axial forces by adding all the unbalanced vertical forces in the upper stories. One alternative approach, less conservative and recommended by the current code, is to estimate the column axial forces based on the amplified seismic load expected at the mechanism-level response. Both are either too conservative or lacking technical foundation. In this paper, three combination rules for a rational estimation of the column axial forces were proposed. The idea central to the three methods is to detect the stories of high buckling potential based on pushover analysis and dynamic behavior. The unbalanced vertical forces in the stories detected as high buckling potential are summed in a linear manner while those in other stories are combined by following the SRSS(square root of sum of squares) rule. The accuracy and design advantage of the three methods were validated by comparing extensive inelastic dynamic analysis results. The mode-shape based method(MSBM), which is both simple and accurate, is recommended as the method of choice for practicing engineers among the three.
The influence of spacers on the behaviour and ultimate capacity of intermediate length CFS open section columns under axial compression is investigated in this paper. The focus of the research lies in the cross- section predominantly, failed by distortional buckling. This paper made an attempt to either delay or eliminate the distortional buckling mode by the introduction of transverse elements referred herein as spacers. The cross-sections investigated have been selected by performing the elastic buckling analysis using CUFSM software. The test program considered three different columns having slenderness ratios of 35, 50 & 60. The test program consisted of 14 pure axial compression tests under hinged-hinged end condition. Models have been analysed using finite element simulations and the obtained results are compared with the experimental tests. The finite element package ABAQUS has been used to carry out non-linear analyses of the columns. The finite element model incorporates material, geometric non-linearities and initial geometric imperfection of the specimens. The work involves a wide parametric study in the column with spacers of varying depth and number of spacers. The results obtained from the study shows that the depth and number of spacers have significant influence on the behaviour and strength of the columns. Based on the nonlinear regression analysis the design equation is proposed for the selected section.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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