This paper presents a mathematical model for fixed-end moments of I-sections with straight haunches for the general case (symmetrical and/or non-symmetrical) subjected to a concentrated load localized anywhere on beam taking into account the bending deformations and shear, which is the novelty of this research. The properties of the cross section of the beam vary along its axis "x", i.e., the flange width "b", the flange thickness "t", the web thickness "e" are constant and the height "d" varies along of the beam, this variation is linear type. The compatibility equations and equilibrium are used to solve such problems, and the deformations anywhere of beam are found by the virtual work principle through exact integrations using the software "Derive" to obtain some results. The traditional model takes into account only bending deformations, and others authors present tables considering the bending deformations and shear, but are restricted. A comparison between the traditional model and the proposed model is made to observe differences, and an example of structural analysis of a continuous highway bridge under live load is resolved. Besides the effectiveness and accuracy of the developed models, a significant advantage is that fixed-end moments are calculated for any cross section of the beam "I" using the mathematical formulas.
When the temperature of a structure varies, there is a tendency to produce changes in the shape of the structure. The resulting actions may be of considerable importance in the analysis of the structures having non-prismatic members. Therefore, this study aimed to investigate the modeling, analysis and behavior of the non-prismatic members subjected to temperature changes with the aid of finite element modeling. The fixed-end moments and fixed-end forces of such members due to temperature changes were computed through a comprehensive parametric study. It was demonstrated that the conventional methods using frame elements can lead to significant errors, and the deviations can reach to unacceptable levels for these types of structures. The design formulas and the dimensionless design coefficients were proposed based on a comprehensive parametric study using two-dimensional plane-stress finite element models. The fixed-end actions of the non-prismatic members having parabolic and straight haunches due to temperature changes can be determined using the proposed approach without necessitating a detailed finite element model solution. Additionally, the robust results of the finite element analyses allowed examining the sources and magnitudes of the errors in the conventional analysis.
Single span historic bridges often contain non-prismatic members identified with a varying depth along their span lengths. Commonly, the symmetric parabolic height variations having the constant haunch length ratio of 0.5 have been selected to lower the stresses at the high bending moment points and to maintain the deflections within the acceptable limits. Due to their non-prismatic geometrical configuration, their assessment, particularly the computation of fixed-end horizontal forces (FEFs) and fixed-end moments (FEMs) becomes a complex problem. Therefore, this study aimed to investigate the behavior of non-prismatic beams with symmetrical parabolic haunches (NBSPH) having the constant haunch length ratio of 0.5 using finite element analyses (FEA). FEFs and FEMs due to vertical loadings as well as the stiffness coefficients and the carry-over factors were computed through a comprehensive parametric study using FEA. It was demonstrated that the conventional methods using frame elements can lead to significant errors, and the deviations can reach to unacceptable levels for these types of structures. Despite the robustness of FEA, the generation of FEFs and FEMs using the nodal outputs of the detailed finite element mesh still remains an intricate task. Therefore, this study advances to propose effective formulas and dimensionless estimation coefficients to predict the FEFs, FEMs, stiffness coefficients and carry-over factors with reasonable accuracy for the analysis and re-evaluation of the NBSPH. Using the proposed approach, the fixed-end reactions due to vertical loads, and also the stiffness coefficients and the carry-over factors of the NBSPH can be determined without necessitating the detailed FEA.
When the temperature of a structure varies, there is a tendency to produce changes in the shape of the structure. The resulting actions may be of considerable importance in the analysis of the structures having non-prismatic members. The computation of design forces for the non-prismatic beams having symmetrical parabolic haunches (NBSPH) is fairly difficult because of the parabolic change of the cross section. Due to their non-prismatic geometrical configuration, their assessment, particularly the computation of fixed-end horizontal forces and fixed-end moments becomes a complex problem. In this study, the efficiency of the Artificial Neural Networks (ANN) and Adaptive Neuro Fuzzy Inference Systems (ANFIS) in predicting the design forces and the design moments of the NBSPH due to temperature changes was investigated. Previously obtained finite element analyses results in the literature were used to train and test the ANN and ANFIS models. The performances of the different models were evaluated by comparing the corresponding values of mean squared errors (MSE) and decisive coefficients ($R^2$). In addition to this, the comparison of ANN and ANFIS with traditional methods was made by setting up Linear-regression (LR) model.
Many researchers had examined the validity of using the high-to-low ratio between two fixed frequency band amplitudes (H/L-FFB) from the surface electromyography of a face and body as the first spectral index to assess muscle fatigue. Despite these studies, the disadvantage of this index is the lack of a criterion for choosing the optimal border frequency. We tested the potential of using the high-to-low ratio between two signal spectral moments (H/L-SSM), without fixed border frequencies, to evaluate muscle fatigue and predict endurance time ($T_{end}$), which was determined when the subject was exhausted and could no longer follow the fixed contraction cycle. Ten healthy participants performed five sets of voluntary isotonic contractions until they could only produce 10% and 20% of their maximum voluntary contraction (MVC). The $T_{end}$ values for all participants were $138{\pm}35s$ at 10% MVC and $69{\pm}20s$ at 20% MVC. Changes in conventional spectral indices, such as the mean power frequency (MPF), Dimitrov spectral index (DSI), H/L-FFB, and H/L-SSM, were extracted from surface EMG signals and were monitored using the initial slope computed every 10% of $T_{end}$ as a statistical indicator and compared as a predictor of $T_{end}$. Significant correlations were found between $T_{end}$ and the initial H/L-SSM slope as computed over 30% of $T_{end}$. In conclusion, initial H/L-SSM slope can be used to describe changes in the spectral content of surface EMG signals and can be employed as a good predictor of $T_{end}$ compared to that of conventional spectral indices.
The turbulence structure of e. tip vortex generated by e. fixed wing was investigated with the use of two-dimensional laser Doppler velocimetry. The velocity field, composed of circumferential end axial components, was measured on the vertical section to the vortex trail, located at 2C downstream from the wing tip in the incoming flow condition of $Re=2.24{\times}10^5$. A quasi 3-dimensional measurement technique by use of 2-dimensional LDV system was suggested for Reynolds stresses and the higher moments. The validity of this technique was confirmed with the uncertainty analysis. The budget of the turbulence kinetic energy was analyzed by those results in the radial direction of the vortex core. It is resulted that the production is to be very likely balanced with the dissipation in most range of the vortex core.
Flat plate constructions are structural systems which are directly placed on columns without any beams. Various solution methods have been introduced for the solution of flat plate structures under horizontal and vertical loads. In most of these solution methods, models comprising of one column and one plate have been studied. In other solutions, however, co-behavior of two reciprocal columns has been investigated. In this study, interrelations of all the columns on one storey have been examined. At the end of the study structure consisting of nine columns and four plates has been chosen as a model. Then unit moment has been successively applied to each of these columns and unit moments carried over the other columns have been found. By working out solutions far plates and columns varying in ratio, carry-over factors have been found and these factors given in tables. In addition, fixed-end moment factors on the columns arising due to vertical load were also calculated. Then citing slope-deflection equations to which these results could be applied, some examples of moment and horizontal equilibrium equations have been given.
Garcia-Guerrero, Juan M.;Jorquera-Lucerga, Juan J.
Steel and Composite Structures
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제32권4호
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pp.479-495
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2019
In tied-arch bridges, the way the arch and the deck are connected may become crucial. The deck is usually suspended from hangers made out of steel pinned cables capable of resisting axial forces only. However, a proper structural response may be ensured by fixing and stiffening the hangers in order to resist, additionally, shear forces and bending moments. Thus, this paper studies the effect of different pinned and stiffened hanger arrangements on the structural behavior of the tied-arch bridges, with the intention of providing designers with useful tools at the early steps of design. Longitudinally and transversally stiffened hangers (and the effect of hinges at the hangers and their locations) are studied separately because the in-plane and the out-of-plane behavior of the bridge are uncoupled due to its symmetry. As a major conclusion, regarding the in-plane behavior, hangers composed of cables (either with vertical, $Nielsen-L\ddot{o}hse$ or network arrangements) are recommended due to its low cost and ease of erection. Alternatively, longitudinally stiffened hangers, fixed at both ends, can be used. Regarding the out-of-plane behavior, and in addition to three-dimensional arrangements of cables, of limited effectiveness, transversally stiffened hangers fixed at both ends are the most efficient arrangement. A configuration almost as efficient and, additionally, cheaper and easier to build can be achieved by locating a hinge at the end corresponding to the most flexible structural element (normally the arch). Its efficiency is further improved if the cross-section tapers from the fixed end to the pinned end.
Steel angles are widely used in roof trusses as web and chord members and in lattice towers. Very often angle members are connected eccentrically. As a result, not only an angle member is under an axial force, but it is also subject to a pair of end eccentric moments. Moreover, the connection at each end provides some fixity so neither pinned nor the fixed end represents the reality. Many national design codes allow for the effects due to eccentricities by modifying the slenderness ratio and reducing the compressive strength of the member. However, in practice, it is difficult to determine accurately the effective length. The concept behind this method is inconsistent with strength design of members of other cross-sectional types such as I or box sections of which the buckling strength is controlled by the Perry constant or the initial imperfection parameters. This paper proposes a method for design of angle frames and trusses by the second-order analysis. The equivalent initial imperfection-to-length ratios for equal and unequal angles to compensate the negligence of initial curvatures, load eccentricities and residual stresses are determined in this paper. From the obtained results, the values of imperfection-to-length ratios are suggested for design and analysis of angle steel trusses allowing for member buckling strength based on the Perry-Robertson formula.
최근에는 건축물의 대형화, 고층화라는 시대적인 흐름과 요구로 인해서 철골 구조의 수요가 급증하고 있다. 일반적인 철골 구조의 해석은 접합부를 강접합과 단순접합으로 가정하여 수행되고 있는데, 강접합(Fixed connection)의 경우에는 절점에 연결된 각 부재의 변형 전 상대적인 각도가 변형 후에도 그대로 유지된다고 가정하므로 접합부가 충분한 강성을 발휘하고 안정성을 확보하도록 패널존 부분에 스티프너로 보강을 한다. 하지만 인건비 상승과 함께 강접 접합부의 제작비가 과도해짐으로 경제성 측면에서 스티프너 보강을 생략한 접합부의 필요성이 증가하고 있다. 반면, 단순접합(Pinned connection)의 경우에는 단순보처럼 거동하여 보와 기둥 사이에 휨모멘트가 전달되지 않는다고 가정한다. 이는 공장제작이 간단하고, 시공이 간편한 장점이 있으나 접합부에서 모멘트를 전달할 수 없어서 구조적인 효율이 떨어지는 단점이 있다. 반강접의 도입은 단면치수 결정의 효율성을 증대하고, 현장에서의 부재조립 용이성, 골조 전체의 안전성 확보 등의 이점이 있어서 외국의 경우, 보-기둥 접합부의 실제적인 거동을 파악하기 위해서 계속적인 노력을 해왔고 그 결과를 규준에 적용하고 있다. 본 논문은 미국 AISC의 LRFD 설계규준을 참고하여 국내 강재를 적용한 반강접의 구조해석을 실시해서 각 강재에 대한 자료은행을 만들 것이고 이상화된 접합부의 구조해석 결과와 비교하여 경제성 측면, 단부 고정계수, 회전강성과 함께 반강접을 고려한 구조물의 설계 방안을 제시 하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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