In this study, a partially earth-anchored cable system is studied in order to reduce the dynamic wind response of cable-stayed bridges. The employment of earth-anchored cables changes the dynamic characteristics of cable-stayed bridges under wind loads. In order to estimate the changes in the member forces, the spectral analysis for wind buffeting loads are performed and the peak responses are evaluated using 3-D finite element models of the three-span cable-stayed bridges with the partially earth-anchored cable system and with the self-anchored cable system, respectively. Comparing the results for the two different models, it is found that the earth-anchored cables affect longitudinal and vertical modes of the bridge. The changes of the natural frequencies for the longitudinal modes remarkably decrease the peak bending moment in the pylon and the movements at the expansion joints. The small changes of the natural frequencies for the vertical modes slightly increase bending moments and deflections in the girder. The original effects of the partially earth-anchored cable system are also shown under wind loads; the decrement of girder axial forces and bearing uplifting forces, and the increment of cable forces in the earth-anchored cables.
Pons, David;Espinos, Ana;Albero, Vicente;Romero, Manuel L.
Steel and Composite Structures
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v.26
no.6
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pp.705-717
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2018
This paper presents a numerical investigation on the mechanical performance of concrete-filled dual steel tubular columns of circular section subjected to concentric axial load. A three-dimensional numerical model is developed and validated against a series of experimental tests. A good agreement is obtained between the experimental and numerical results, both in the peak load value and in the ascending and descending branches of the load-displacement curves. By means of the numerical model, a parametric study is carried out to investigate the influence of the main parameters that determine the axial capacity of double-tube columns, such as the member slenderness, inner and outer steel tube thicknesses and the concrete grade - of both the outer concrete ring and inner core -, including ultra-high strength concrete. A total number of 163 numerical simulations are carried out, by combining the different parameters. Specific indexes are defined (Strength Index, Concrete-Steel Contribution Ratio, Inner Concrete Contribution Ratio) to help rating the relative mechanical performance of dual steel tubular columns as compared to conventional concrete-filled steel tubular columns, and practical design recommendations are subsequently given.
In order to respond to environmental regulations and increased demand for fuel economy, the demand for lightweight car bodies has grown. Hydroforming of aluminum is one possible solution as it eliminates the need for additional welding to develop closed cross-sectional parts. However, the low formability of aluminum is a limitation of its application. On the other hand, the ductility of materials can be improved at higher temperatures, and hot metal gas forming has been widely applied in the production of lightweight vehicle parts. In this study, aluminum alloy for pipe extrusion was developed by controlling the Mg:Cr:Mn ratio based on AA5083. Mechanical properties of the developed material were examined by tensile test and were applied to a forming simulation. Cold forming simulation for preforming and non-isothermal hot forming simulation for hot metal gas forming were carried out to validate process conditions. A prototype of the sidemember was manufactured under the given process condition. Finally, thickness distribution was compared with finite element analysis results.
Buckling restrained braces (BRBs) were developed as an enhanced alternative to conventional braces by restraining their global buckling, thus allowing development of a stable quasi-symmetric hysteretic response. A wider adoption of buckling restrained braced frames is precluded due to proprietary character of most BRBs and the code requirement for experimental qualification. To overcome these problems, BRBs with capacities corresponding to typical steel multi-storey buildings in Romania were developed and experimentally tested in view of prequalification. In the second part of this paper, a complex nonlinear numerical model for the tested BRBs was developed in the finite element environment Abaqus. The calibration of the numerical model was performed at both component (material models: steel, concrete, unbonding material) and member levels (loading, geometrical imperfections). Geometrically and materially nonlinear analyses including imperfections were performed on buckling restrained braces models under cyclic loading. The calibrated models were further used to perform a parametric study aiming at assessing the influence of the strength of the buckling restraining mechanism, concrete class of the infill material, mechanical properties of steel used for the core, self-weight loading, and frame effect on the cyclic response of buckling restrained braces.
Moisture evaporates, when concrete is exposed to fire, not only at concrete surface but also at inside the concrete to adjust the equilibrium and transfer properties of moisture. The equilibrium properties of moisture are described by means of water vapor sorption isotherms, which illustrate the hysteretical behavior of materials. In this paper, the prediction method of the moisture distribution inside the concrete members at fire is presented. Finite element method is employed to facilitate the moisture diffusion analysis for any position of member. And the moisture diffusivity model of high strength concrete by high temperature is proposed. To demonstrate the validity of this numerical procedure, the prediction by the proposed algorithm is compared with the test result of other researcher. The proposed algorithm shows a good agreement with the experimental results including the vaporization effect inside the concrete.
Quantitative condition assessment of structures has been traditionally using proof load test leading to an indication of the load-carrying capacity. Alternative approaches using ultrasonic, dynamics etc. are based on the unloaded state of the structure and anomalies may not be fully mobilized in the load resisting path and thus their effects are not fully included in the measured responses. This paper studies the effect of the load carried by a reinforced concrete beam on the assessment result of the crack damage. This assessment can only be performed with an approach based on static measurement. The crack damage is modelled as a crack zone over an area of high tensile stress of the member, and it is represented by a damage function for the simulation study. An existing nonlinear optimization algorithm is adopted. The identified damage extent from a selected high level load and a low load level are compared, and it is concluded that accurate assessment can only be obtained at a load level close to the one that creates the damage.
The objective of this study is to clarify the structural features of members consisting of connection, as a series of the previous study on the CFT column-to-beam tensile connection with combined cross diaphragm. This connection has the merits that the stress is distributed evenly on the beam flange and the diaphragm and the stress concentration is reduced, by improving the stress transfer route and restraining abrupt deformation of diaphragm. The finite element analysis was performed to find out the stress transfer through sleeve which is an important member of the connection with combined cross diaphragm. The length and thickness of sleeve were used as variables for the analysis. As the analysis results, the length and thickness of sleeve didn't influence on the capacity of the connection and played a role of a medium to transfer the stress from the diaphragm to the filled concrete. It is proposed that the appropriate length of sleeve be the same value as the diameter of sleeve and the appropriate ratio of sleeve diameter to sleeve thickness be 20. Two equations for evaluation of the load-carrying capacity of the connection were also proposed through the modification of the evaluation equation suggested in the previous study.
The primary objective of this paper is to develop optimal algorithms of reinforced concrete frame structural systems by the limit state design(CP 1110) and to look into the possibility of detailed design of these structural systems. The structural formulation is derived on the finite element method. The objective of optimization of a reinforced structure for a specified geometry is mainly to determine the optimum cross-sectional dimensions of concrete and the area of the various sizes of the reinforcement required for each member. In addition to the detail s such as the amount of web reinforcement, cutoff points of longitudinal reinforcedments etc. are also considered as design variables. In this study, the method of "Generalized Reduced Gradient, Rounding and with Neighborhood search" and "the Sequential Linear Programming" are employed as an analytical method of nonlinear optimization.
There are two types of nonlinear analysis methods for building frameworks depending on the method of modeling the plastification of members including lumped plasticity and distributed plasticity. The lumped plasticity method assumes that plasticity is concentrated at a zero-length plastic hinge section at the ends of the elements. The distributed plasticity method discretizes the structural members into many line segments, and further subdivides the cross-section of each segment into a number of finite elements. When a reinforced concrete member experiences inelastic deformations, cracks tend to spread form the joint interface resulting in a curvature distribution. The program IDARC includes a spread plasticity formulation to capture the variation of the section flexibility, and combine them to determine the element stiffness matrix. In this formulation, the flexibility distribution in the structural elements is assumed to be the linear. The main objective of this study is to evaluate the accuracy of linear flexibility distribution assumed in the spread inelasticity model. For this purpose, nonlinear analysis of two reinforced concrete frames is carried out and the linear flexibility models used in the elements are compared with the real ones. It is shown that the linear flexibility distribution is incorrect assumption in cases of significant gravity load effects and can be lead to incorrect nonlinear responses in some situations.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.19
no.3
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pp.69-76
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2019
A Beam String Structure (BSS) is a type of hybrid structures, which is composed of upper structural members, lower strings, and struts. Due to the advantages that the pre-tensioned strings elicit pre-caber of the upper structural members, the deflection can be greatly reduced without increasing the structural member size. In this study, a two-way beam string structure is proposed to endure bi-directional loading. The two-way beam string structure consists of two cable parts, namely, sagging and arch-shaped cables. A parametric study is presented aimed at proposing design guide lines of the two-way beam string structures. Numerical finite element analyses through the ABAQUS package were implemented to obtain their behaviors.
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