The existence of initial imperfections in manufacturing or assembly of double-layer space structures having hundreds or thousands of members is inevitable. Many of the imperfections, such as the initial curvature of the members and residual stresses in members, are all random in nature. In this paper, the probabilistic effect of initial curvature imperfections in the load bearing capacity of double-layer grid space structures with different types of supports have been investigated. First, for the initial curvature imperfection of each member, a random number is generated from a gamma distribution. Then, by employing the same probabilistic model, the imperfections are randomly distributed amongst the members of the structure. Afterwards, the collapse behavior and the ultimate bearing capacity of the structure are determined by using nonlinear push down analysis and this procedure is frequently repeated. Ultimately, based on the maximum values of bearing capacity acquired from the analysis of different samples, structure's reliability is obtained by using Monte Carlo simulation method. The results show the sensitivity of the collapse behavior of double-layer grid space structures to the random distribution of initial imperfections and supports type.
The effect of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the thin-walled members subjected to the axial loads, obtained by the finite element stability analysis, are examined. As the initial imperfections, the bucking mode shapes of the members are adopted. The buckling mode shapes of the thin-walled members are obtained by the transfer matrix method. In the finite element stability analysis, isoparametric degenerated shell element is used, and the geometrical and material nonlinearity are considered based on the Green Lagrange strain definition and the Prandtl-Reuss stress-strain relation following the von Mises yield criterion. The U-, box- and I-section members subjected to the axial loads are adopted for numerical examples, and the effects of the initial imperfections on the nonlinear behaviors and ultimate strength of the members are examined.
This paper reveals theoretical research to the nonlinear dynamic response and initial geometric imperfections sensitivity of the spinning graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) cylindrical shell under different boundary conditions in thermal environment. For the theoretical research, with the framework of von-Karman geometric nonlinearity, the GPLRMF cylindrical shell model which involves Coriolis acceleration and centrifugal acceleration caused by spinning motion is assumed to undergo large deformations. The coupled governing equations of motion are deduced using Euler-Lagrange principle and then solved by a combination of Galerkin's technique and modified Lindstedt Poincare (MLP) model. Furthermore, the impacts of a set of parameters including spinning velocity, initial geometric imperfections, temperature variation, weight fraction of GPLs, GPLs distribution pattern, porosity distribution pattern, porosity coefficient and external excitation amplitude on the nonlinear harmonic resonances of the spinning GPLRMF cylindrical shells are presented.
Recently laminated plates like composite materials has been used in a various field to grow the specific strength of the composition. However, delamination area caused by barely visible impact damage has potential risk that it can raise buckling of the delaminated plate. Because it can interrupt compressive behavior of laminated plates and reduce their strength, the whole structure can't be constituted by these materials. Many studies assume that behavior of the delaminated plate which is in lamanated plates equals theoretical buckling but their actual motion doesn't coincide because of initial imperfections of materials like deflection, residual stress, eccentricity and so on. In this paper, we change laminated plates with initial delamination into a beam of rectangular cross section with the initial crack and analyze compressive behavior according to initial imperfections through finite element method(FEM). Consequently analysis results show that behavior of laminated plates involving delamination differs from ideal buckling of the delaminated plate in actual conditions and we can predict its motion through imperfections relationship.
The upper chords in half-through truss bridges are prone to buckling due to a lack of the upper transverse connections. Taking into account geometric and material nonlinearity, nonlinear finite-element analysis of a simple supported truss bridge was carried out to exhibit effects of different types of initial imperfections. A half-wave of initial imperfection was proved to be effective in the nonlinear buckling analysis. And a parameter analysis of initial imperfections was also conducted to reveal that the upper chords have the greatest impact on the buckling, followed by the bottom chords, vertical and diagonal web members. Yet initial imperfections of transverse beams have almost no effect on the buckling. Moreover, using influence surface method, the combinatorial effects of initial imperfections were compared to demonstrate that initial imperfections of the upper chords play a leading role. Furthermore, the equivalent effective length coefficients of the upper chord were derived to be 0.2~0.28 by different methods, which implies vertical and diagonal web members still provide effective constraints for the upper chord despite a lack of the upper transverse connections between the two upper chords. Therefore, the geometrical and material nonlinear finite-element method is effective in the buckling analysis due to its higher precision. Based on nonlinear analysis and installation deviations of members, initial imperfection of l/500 is recommended in the nonlinear analysis of half-through truss bridges without initial imperfection investigation.
Kim, Jong-Min;HwangBo, Seok;Han, Sang-Eul;Kwun, Teak-Jin
한국공간정보시스템학회:학술대회논문집
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2004.05a
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pp.83-88
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2004
First author proposed a proportioning method for member sections of a single layer reticulated dome subjected to uniform and non-uniform load without any geometrical initial imperfection, and discussed the validity and effectiveness of the method which was based on linear buckling stress and a knock down factor. However, buckling of a single layer reticulated dome is strongly affected by initial imperfection. It is well known that geometrical initial imperfections reduce the nonlinear buckling capacity of a single layer raticulated dome. Thus, structural engineers may be recommended to reflect the effects of geometrical initial imperfections in proportioning member sections. In this paper, firstly, the presented proportioning method by first author is applied to dome without consideration of any imperfections and the thickness and diameter of each member are determined. Secondly, the load bearing capacities of the proportioned domes are checked with the imperfection, by the inelastic buckling analysis.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2001.05a
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pp.139-143
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2001
Ring-stiffened cylinders are widely used as the pressure hull of submarines and underwater vehicles. For large ring-stiffened cylinders cylindrical shells are fbricated by cold rolling of flat plates and then welding of curved shells. After forming cylinders ring-stiffeners are welded on th the cylinders. Due to these cold roiling and welding initial shape imperfections and residual stresses exists in fabricated ring-stiffened cylinders. It is well known that the initial shape and material imperfections affect the ultimate strength of ring-stiffened cylinders significantly. In this paper previous researches on the effects of initial shape imperfections and residual stresses are briefly reviewed Recently a numerical analysis computer program was developed to predict the ultimate strength of ring-stiffened cylinders subjected to hydrostatic pressure, which is based on the Dynamic Relaxation technique. This program was employed to numerically investigate those effects. The numerical predictions were substantiated with relevant experimental results.
Analyzing the collapse behavior of thin-walled steel structures holds significant importance in ensuring their safety and longevity. Geometric imperfections present on the surface of metal materials can diminish both the durability and mechanical integrity of steel shells. These imperfections, encompassing local geometric irregularities and deformations such as holes, cavities, notches, and cracks localized in specific regions of the shell surface, play a pivotal role in the assessment. They can induce stress concentration within the structure, thereby influencing its susceptibility to buckling. The intricate relationship between the buckling behavior of these structures and such imperfections is multifaceted, contingent upon a variety of factors. The buckling analysis of thin-walled steel shell structures, similar to other steel structures, commonly involves the determination of crucial material properties, including elastic modulus, shear modulus, tensile strength, and fracture toughness. An established method involves the emulation of distributed geometric imperfections, utilizing real test specimen data as a basis. This approach allows for the accurate representation and assessment of the diversity and distribution of imperfections encountered in real-world scenarios. Utilizing defect data obtained from actual test samples enhances the model's realism and applicability. The sizes and configurations of these defects are employed as inputs in the modeling process, aiding in the prediction of structural behavior. It's worth noting that there is a dearth of experimental studies addressing the influence of geometric defects on the buckling behavior of cylindrical steel shells. In this particular study, samples featuring geometric imperfections were subjected to experimental buckling tests. These same samples were also modeled using Finite Element Analysis (FEM), with results corroborating the experimental findings. Furthermore, the initial geometrical imperfections were measured using digital image correlation (DIC) techniques. In this way, the response of the test specimens can be estimated accurately by applying the initial imperfections to FE models. After validation of the test results with FEA, a numerical parametric study was conducted to develop more generalized design recommendations for the stainless-steel shell structures with the initial geometric imperfection. While the load-carrying capacity of samples with perfect surfaces was up to 140 kN, the load-carrying capacity of samples with 4 mm defects was around 130 kN. Likewise, while the load carrying capacity of samples with 10 mm defects was around 125 kN, the load carrying capacity of samples with 14 mm defects was measured around 120 kN.
Initial imperfections, such as initial deflection or remaining stress, cause deterioration of buckling strength of structures. The Koiter imperfection sensitivity law has been extended to describe the mechanism of reduction for structures. The extension is twofold: (1) a number of imperfections are considered, and (2) the second order (minor) imperfections are implemented, in addition to the first order (major) imperfections considered in the Koiter law. Yet, in reality, the variation of external loads is dominant over that of imperfection. In this research, probabilistic evaluation of buckling loads against external loads subjected to probabilistic variation is conducted by extending the concept of imperfection sensitivity. A truss arch subjected to dead and live loads is considered as a numerical example. The mechanism of probabilistic variation of buckling strength of this arch is described by the proposed method, and its reliability is evaluated.
Considering that different boundary conditions can have an important impact on structural vibration characteristics. In this paper, the nonlinear forced vibration behavior of functionally graded material (FGM) doubly curved shells with initial geometric imperfections under different boundary conditions is studied. Considering initial geometric imperfections and von Karman geometric nonlinearity, the nonlinear governing equations of FGM doubly curved shells are derived using Reissner's first order shear deformation (FOSD) theory. Three different boundary conditions of four edges simply supported (SSSS), four edges clamped (CCCC), clamped-clamped-simply-simply (CCSS) were studied, and a system of nonlinear ordinary differential equations was obtained with the help of Galerkin principle. The nonlinear forced vibration response of the FGM doubly curved shell is obtained by using the modified Lindstedt Poincare (MLP) method. The accuracy of this method was verified by comparing it with published literature. Finally, the effects of curvature ratio, power law index, void coefficient, prestress, and initial geometric imperfections on the resonance of FGM doubly curved shells under different boundary conditions are fully discussed. The relevant research results can provide certain guidance for the design and application of doubly curved shell.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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