Buckling of longitudinal bars is a brittle failure mechanism, often recorded in reinforced concrete (RC) structures after an earthquake. Studies in the literature highlights that it often occurs when steel is in the post elastic range, by inducing a modification of the engineered stress-strain law of steel in compression. A proper evaluation of this effect is of fundamental importance for correctly evaluating capacity and ductility of structures. Significant errors can be obtained in terms of ultimate bending moment and curvature ductility of an RC section if these effects are not accounted, as well as incorrect evaluations are achieved by non-linear static analyses. This paper presents a numerical investigation aiming to evaluate the engineered stress-strain law of reinforcing steel in compression, including second order effects. Non-linear FE analyses are performed under the assumption of local buckling. A role of key parameters is evaluated, making difference between steel with strain hardening or with perfectly plastic behaviour. Comparisons with experimental data available in the literature confirm the accuracy of the achieved results and make it possible to formulate recommendations for design purposes. Finally, comparisons are made with analytical formulations available in the literature and based on obtained results, a modification of the stress-strain law model of Dhakal and Maekawa (2002) is proposed for fitting the numerical predictions.
Unterweger, Harald;Lechner, Andreas;Greiner, Richard
Steel and Composite Structures
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v.11
no.1
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pp.1-19
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2011
The introduction of the Eurocodes makes plastic design criteria available also for composite bridges, leading to more economical solutions compared with previous elastic design rules. Particularly for refurbishment old bridges with higher actual traffic loads, up to date outside the scope of the Eurocodes, strengthening should therefore be avoidable or at least be necessary only to a minor extent. For bridges with smaller spans and compact cross sections, the plastic load bearing capacity is clearly justified. In this work, however, the focus is placed on long span continuous composite bridges with deep, longitudinally stiffened girders, susceptible to local buckling. In a first step, the elastic - plastic cross section capacity of the main girder in bending is studied as an isolated case, based on high preloads acting on the steel girder only, due to the common assembling procedure without scaffolding. In a second step, the effects on the whole structure are studied, because utilising the plastic section capacity at midspan leads to a redistribution of internal forces to the supports. Based on the comprehensive study of an old, actual strengthened composite bridge, some limitations for plastic design are identified. Moreover, fully plastic design will sometimes need additional global analysis. Practical recommendations are given for design purposes.
This paper deals with the nonlinear finite element analysis of fibre-reinforced plastic poles. Based on the principle of stationary potential energy and Novozhilov's derivations of nonlinear strains, the formulations for the geometric nonlinear analysis of general shells are derived. The formulations are applied to the fibre-reinforced plastic poles which are treated as conical shells. A semi-analytical finite element model based on the theory of shell of revolution is developed. Several aspects of the implementation of the geometric nonlinear analysis are discussed. Examples are presented to show the applicability of the nonlinear analysis to the post-buckling and large deformation of fibre-reinforced plastic poles.
This research aimed to experimentally and theoretically investigate the moment strength of deck plates. A moment experiment was carried out using a full-scale 14 specimen. To prevent local buckling, the point load was applied at 1/4 points. After the experiment, theoretical analysis was conducted and the differences between various codes were identified. The experimental results were compared with AISI (the American Iron and Steel Institute), EC (Euro Code) 3, and KS (Korea Standard) codes. Analysis results are summarized as follows: (1) the failure mode was influenced by local buckling at the midpoint of the beam and/or at the intermediate loading point: (2) if yielding first occurred at the tension side, the moment strength would increase as the plastic reservation of the tension zone acted: (3) the experimental results were closest to the EC3 codes in which the partial plastic reservation was considered; (4) statistical evaluation based on the EC3 Annex Z showed that the partial resistance safety coefficient calculated applying to the EC3 formula, $^{\circ}{_M}$, was placed within 1.1 which was the target value of EC3 code; and (5) the analytical power of AISI and KS codeswere expected to improve into the level of EC3 codes if the concept of plastic reservation of the tension side would be introduced to them.
Because of the increasing span of arch bridges, ultimate capacity analysis recently becomes more focused both on design and construction. This paper investigates the static and ultimate behavior of a long-span steel arch bridge up to failure and evaluates the overall safety of the bridge. The example bridge is a long-span steel arch bridge with a 550 m-long central span under construction in Shanghai, China. This will be the longest central span of any arch bridge in the world. Ultimate behavior of the example bridge is investigated using three methods. Comparisons of the accuracy and reliability of the three methods are given. The effects of material nonlinearity of individual bridge element and distribution pattern of live load and initial lateral deflection of main arch ribs as well as yield stresses of material and changes of temperature on the ultimate load-carrying capacity of the bridge have been studied. The results show that the distribution pattern of live load and yield stresses of material have important effects on bridge behavior. The critical load analyses based on the linear buckling method and geometrically nonlinear buckling method considerably overestimate the load-carrying capacity of the bridge. The ultimate load-carrying capacity analysis and overall safety evaluation of a long-span steel arch bridge should be based on the geometrically and materially nonlinear buckling method. Finally, the in-plane failure mechanism of long-span steel arch bridges is explained by tracing the spread of plastic zones.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.14
no.1
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pp.89-93
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2008
Stiffened panels are basic strength members which have been used widely in a vessel or an offshore. They have been used often a deck, a side and a bottom structure of ship and have a number of one sided stiffener in either one or both directions called grillage. Their buckling and plastic collapse become damaged reason of the hull girder so it needs to investigate accurately buckling and ultimate strength of stiffened panels. In the present paper, using the ANSYS, a commercial finite element analysis code, we conducted the evaluation regarding buckling and post-buckling behaviour of stiffened panels, and analyzed stiffener's web height change, considering the effect of lateral pressure load against compression ultimate strength.
This paper evaluates the feasibility of use of high-strength steel for soil-metal corrugated steel structures. Two specifications, the AASHTO(2004) and the CHBDC(2000), were compared and the scientific background of equations for the buckling stability in those specifications were investigated to figure out the governing factors for buckling strength of structures. Numerous finite element analyses for round-pipe type of soil-metal corrugated steel structures were carried out with considering the elastic-plastic relationship of a material and the geometrical non-linearity, as well as the various design variables, such as span length, depths of soil cover, section properties, tensile strength and backfill conditions. Buckling strength equation of the CHBDC(2000) is still valid and conservative for both normal and high-strength steel soil-metal corrugated steel structures, and the buckling strength increases with the use of hight-strengths steel.
Zhang, Wenfu;Gardner, Leroy;Wadee, M. Ahmer;Zhang, Minghao
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1440-1463
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2018
The Wagner coefficient is a key parameter used to describe the inelastic lateral-torsional buckling (LTB) behaviour of the I-beam, since even for a doubly-symmetric I-section with residual stress, it becomes a monosymmetric I-section due to the characteristics of the non-symmetrical distribution of plastic regions. However, so far no theoretical derivation on the energy equation and Wagner's coefficient have been presented due to the limitation of Vlasov's buckling theory. In order to simplify the nonlinear analysis and calculation, this paper presents a simplified mechanical model and an analytical solution for doubly-symmetric I-beams under pure bending, in which residual stresses and yielding are taken into account. According to the plate-beam theory proposed by the lead author, the energy equation for the inelastic LTB of an I-beam is derived in detail, using only the Euler-Bernoulli beam model and the Kirchhoff-plate model. In this derivation, the concept of the instantaneous shear centre is used and its position can be determined naturally by the condition that the coefficient of the cross-term in the strain energy should be zero; formulae for both the critical moment and the corresponding critical beam length are proposed based upon the analytical buckling equation. An analytical formula of the Wagner coefficient is obtained and the validity of Wagner hypothesis is reconfirmed. Finally, the accuracy of the analytical solution is verified by a FEM solution based upon a bi-modulus model of I-beams. It is found that the critical moments given by the analytical solution almost is identical to those given by Trahair's formulae, and hence the analytical solution can be used as a benchmark to verify the results obtained by other numerical algorithms for inelastic LTB behaviour.
Eui-Chul Jeong;Sung-Hee Lee;Hyunn-Seung Lee;Jung-Gil Oh;Seok-Kwan Hong
Design & Manufacturing
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v.18
no.2
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pp.17-22
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2024
Lightweight of plastic containers is becoming an important issue due to increasing environmental legislation and consumer awareness. In this study, the CAE analysis was conducted to optimize the shape of a 500 ml lightweight square polyethylene terephthalate(PET) bottle. First, the linear buckling alaysis using the finite element method was performed to analyze the correlation between the primary geometric parameters of the bottle and the buckling critical load. Then, the optimal geometry parameters were derived, and the actual buckling load was predicted by non-linear buckling simulation. The validity of the simulation results was verified by top-loading tests of PET bottles molded with the optimized geometry. The elastic modulus and tensile yield strength of PET through tensile tests were measured to improve the accuracy of the simulation. As a result of the tensile tests, the modulus of elasticity of PET increased from 2,900 MPa to 4,275 MPa, and the tensile yield strength increased from 52.4 MPa to 88.1 MPa. Finally the buckling load of the optimized PET bottle was found to be approximately 236 N, which is very similar to the simulation precition of 238 N. This study shows the feasibility and accuracy of the CAE analysis approach for the lightweight design of PET bottles, and will provide useful guidelines for the design of PET bottles.
Ship structures are basically an assembly of plate elements and estimation load-carrying capacity or the ultimate strength is one of the most important criterion for estimated safety assessment and rational design on the ship structure. Also, Structural elements making up ship plated structures do not work separately against external load. One of the critical collapse events of a ship structure is the occurrence of overall buckling and plastic collapse of deck or bottom structure subjected to longitudinal bending. So, the deck and the bottom plates are reinforced by a number af longitudinal stiffeners to increase their strength and load-carrying capacity. For a rational design avoiding such a sudden collapse, it is very important to know the buckling and plastic behaviour or collapse pattern of the stiffened plate under axial compression. In this present study, to investigate effect af modeling range, the finite element method are used and their results are compared varying the analysis ranges. When making the FEA model, six types of structural modeling are adopted varying the cross section of stiffener. In the present paper, a series of FEM elastoplastic large deflection analyses is performed on a stiffened plate with fiat-bar, angle-bar and tee-bar stiffeners. When the applied axial loading, the influences of cross-sectional geometries on collapse behaviour are discussed. The purpose of the present study is examined to numerically calculate the characteristics of buckling and ultimate strength behavior according to the analysis method of ship's stiffened plate subject to axial loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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