Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.45
no.2
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pp.78-85
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2003
This study aims to investigate the effect of partially distributed loads on the static behavior of parabolic arches by using the elastic-plastic finite element model. For this purpose, the vertical, the radial, and the anti-symmetric load cases are considered, and the ratio of loading range and arch span is increased from 20% to 100%. Also, the elastic-visco-plastic analysis has been carried out to estimate the elapse time to reach the stable state of arches when the ultimate load obtained by the finite element analysis is applied. It is noted that the ultimate load carrying capacities of parabolic arches are 6.929 tf/$m^2$ for the radial load case, and 8.057 tf/$m^2$ for the vertical load case. On the other hand, the ultimate load is drastically reduced as 2.659 tf/$m^2$ for the anti-symmetric load case. It is also shown that the maximum ultimate load occurs at the full ranging distributed load, however, the minimum ultimate loads of the radial and vortical load cases are obtained by 2.336 tf/$m^2$, 2.256 tf/$m^2$, respectively, when the partially distributed load is applied at the 40% range of full arch span.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.44
no.3
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pp.92-100
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2002
The advent or high-strength steel has enabled the arch structures to be relatively light, durable and long-spanned by reducing the cross sectional area. On the other hand, the possibility of collapse may be increased due to the slender members which may cause the stability problems. The limit analysis to estimate the ultimate load is based on the concept of collapse mechanism that forms the plastic zone through the full transverse sections. So, it is not appropriate to apply it directly to the instability analysis of arch structures that are composed with compressive members. The objective of this study is to evaluate the ultimate load carrying capacity of the parabolic arch by using the elasto-plastic finite element model. As the rise to span ratio (h/L) varies from 0.0 to 0.5 with the increment of 0.05, the ultimate load has been calculated fur arch structures subjected to uniformly distributed vertical loads. Also, the disco-elasto-plastic analysis has been carried out to find the duration time until the behavior of arch begins to show the stable state when the estimated ultimate load is applied. It may be noted that the maximum ultimate lead of the parabolic arch occurs at h/L=0.2, and the appropriate ratio can be recommended between 0.2 and 0.3. Moreover, it is shown that the circular arch may be more suitable when the h/L ratio is less than 0.2, however, the parabolic arch can be suggested when the h/L ratio is greater than 0.3. The ultimate load carrying capacity of parabolic arch can be estimated by the well-known formula of kEI/L$^3$where the values of k have been reported in this study. In addition, there is no general tendency to obtain the duration time of arch structures subjected to the ultimate load in order to reach the steady state. Merely, it is observed that the duration time is the shortest when the h/L ratio is 0.1, and the longest when the h/L ratio is 0.2.
In this research, the analysis of post-buckling behavior of tapered columns has been performed under a combined load of uniformly distributed axial load along the length and concentric axial load at free end by solving the nonlinear differential equation with the differential transformation technique. The buckling load at various slopes at free end of column is calculated and the results of the analysis using the differential transformation technique is verified with those of previous studies. It is also shown through the results that the buckling load of sinusoidal tapered columns is largest, the linear is second largest, and the parabolic is small in the all ranges of slopes at free end and the deflection of parabolic tapered columns in the x coordinates is largest, the sinusoidal is second largest, and the linear is smallest in the range of slope 0 to 140 degrees at free end. However, when the range of the slope is 160 to 176 degrees at the free end, the deflection of sinusoidal tapered columns in the x coordinates is largest, the linear is second largest, and the parabolic is smallest. In addition, for the linear tapered column, the buckling load increases along with the flexural stiffness ratio. Also, for the parabolic and the sinusoidal tapered column, the buckling loads increase and decrease as the flexural ratios increase in the range of flexural stiffness ratio n = 1.0 to n = 2.0. Through this research, it is verified that the differential transformation technique can be applied to solve the nonlinear differential equation problems, such as analysis of post-buckling behavior of tapered columns. It is also expected that the differential transformation technique apply to various more complicated problems in future.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.46
no.6
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pp.21-28
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2004
This study aims to investigate the effects of partially distributed loads on the dynamic behaviour of steel parabolic arches by using the elasto-plastic finite element model based on the Von Mises yield criteria and the Prandtl-Reuss How rule. For this purpose, the vertical and the radial load conditions were considered as a distributed loading and the loading range is varied from 40% to 100% of arch span. Normal arch and arch with initial deflection were studied. The initial deflection of arch was assumed by the sinusoidal motile of ${\omega}_i\;=\;{\\omega}_O$ sin ($n{\pi}x/L$). Several numerical examples were tested considering symmetric initial deflection when the maximum initial deflection at the apex is fixed as L/1000. The analysis resluts showed that the maximum deflection at the apex of arch was occurred when 70% of arch span was loaded. The maximum deflection at the quarter point of arch span was occurred when 50% of arch span was loaded. It is known that the optimal rise to span ratio between 0.2 and 0.3 when the vertical or radial distributed load is applied. It is verified that the influence of initial deflection of radial load case is more serious than that of vertical load case.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
The incorporation of carbon nanotubes in a polymer matrix makes it possible to obtain nanocomposite materials with exceptional properties. It's in this scientific background that this work was based. There are several theories that deal with the behavior of plates, in this research based on the Mindlin-Reissner theory that takes into account the transversal shear effect, for analysis of the critical buckling load of a reinforced polymer plate with parabolic distribution of carbon nanotubes. The equations of the model are derived and the critical loads of linear and parabolic distribution of carbon nanotubes are obtained. With different disposition of nanotubes of carbon in the polymer matrix, the effects of different parameters such as the volume fractions, the plate geometric ratios and the number of modes on the critical load buckling are analysed and discussed. The results show that the critical buckling load of parabolic distribution is larger than the linear distribution. This variation is attributed to the concentration of reinforcement (CNTs) at the top and bottom faces for the X-CNT type which make the plate more rigid against buckling.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.28
no.2
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pp.87-92
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1986
The differential equation, which can determine the dynamic critical loads for low parabcoic arches, is derived in this study. The dynamic critical loads of the parabolic arches subjected to a concentrated step load are nummerically analyzed for the changes of load positions. In cases of arches with different end conditions (both hinged, fixed hinged, both fixed), the effect of end conditions and that of the rises are investigated in detail. The summary of the results are the following: 1)The snapthrough does not occur when the rise of arch is very low, and the bifurcation appears clearly as the rise of arch increases. 2)The regions in which the dynamic critical loads are not defined for the both ends fixed are broader than that for the both ends hinged. 3)For all case, the load positions of minimum dynamic critical loads exsit at the near position from the end hinged. Thus, the results obtained in present study show that the magnitude of dynamic critical loads, the load positions of minimum dynamic critical loads and the regions in which the dynamic critical loads are not defined depend on end conditions of arches.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.21
no.4
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pp.384-391
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2011
This paper deals with free vibrations of the parabolic hollowed beam-columns with constant volume. The cross sections of beam-column taper are the hollowed regular polygons whose depths are varied with the parabolic functional fashion. Volumes of the objective beam-columns are always held constant regardless given geometrical conditions. Ordinary differential equation governing free vibrations of such beam-columns are derived and solved numerically for determining the natural frequencies. In the numerical examples, hinged-hinged, hinged-clamped and clamped-clamped end constraints are considered. As the numerical results, the relationships between non-dimensional frequency parameters and various beam-column parameters such as end constraints, side number, section ratio, thickness ratio and axial load are reported in tables and figures.
In this paper, improved out-of-plane design of parabolic arches was proposed based on the current design code. The arches resist general loading by a combination of axial compression and bending actions, and the interaction formula between two extreme cases of axial and bending actions is generally used for the design. Firstly, the out-of-plane buckling strength of arches in a pure axial compression and a pure bending were studied. Then, out-of-plane design of parabolic aches under general transverse loading was investigated. From the results, it can be found that the proposed design equations provided good prediction of out-of-plane strength for parabolic arches which satisfy the thresholds for deep arches, while proposed design equations overestimated the buckling load of shallow arches.
In this paper, the mechanical characteristics of the open type hyperbolic-parabolic membrane structure under wind load were investigated. First, the numerical simulation of a typical plane membrane structure was performed based on the Large-Eddy Simulation method. The accuracy of the simulation method was validated by the corresponding wind tunnel test results. Then, the wind load shape coefficients of open type hyperbolic-parabolic membrane structures are obtained from the series of numerical calculations and compared with the recommended values in the "Technical Specification for Membrane Structures (CECS 158: 2015). Finally, the influences of the wind directions and wind speeds on the mean wind pressure distribution of open type hyperbolic-parabolic membrane structures were investigated. This study aims to gain a better understanding of the wind-induced response for this type of structure and be useful to engineers and researchers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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