Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.9
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pp.2322-2330
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1994
The torsion problem in a cylindrical rod is usually formulated in terms of either the warping function or the Prandtl stress function. In a rod whose cross-section is bounded by circles and rectangles, we develop an analytic solution approach based on the warping function, which satisfies Laplace's equation. The present formulation employs polynomials and The Fourier series-type solutions, both of which satisfy exactly the governing differential equation. Using the present method, the maximum shear stress and torsional rigidity are efficiently and accurately calculated and the present results are compared with those by other methods. The specific numerical examples include the case with eccentric holes which was investigated earlier. The finite element results are also compared with the present results.
Yangzhi Ren;Wenjing Guo;Xuechun Liu;Bin Wang;Piyong Yu;Xiaowen Ji
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.4
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pp.461-472
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2023
This paper proposes a novel method for increasing the distortional frame rigidity of off-rail box girder bridges for cranes by reinforcing the diaphragm with staggered truss. The study starts by using the Matrix Displacement Method to determine the shear angle of the staggered truss diaphragm under two assumptions: hinge joint and rigid joint. To obtain closed-form solutions for the transversal and longitudinal deformations and warping stress of the crane girder, the study employs the Initial Parameter Method and considers the compatibility of shear deformation at joints between the diaphragms and the girder. The theoretical solutions are validated through finite element analysis, which also confirms that the hinge-joint assumption accurately represents the shear angle of the staggered truss diaphragm in girder distortion. Additionally, the study conducts extensive parameter analyses to examine the impact of staggered truss dimensions on distortional stress and deformation. Furthermore, the study compares the distortional warping stresses of crane girders reinforced with staggered truss diaphragms and those reinforced with perforated ones, emphasizing the importance of incorporating stagger truss in diaphragms. Overall, this paper provides a thorough evaluation of the proposed approach's effectiveness in enhancing the distortional frame rigidity of off-rail box girder bridges for cranes. The findings offer valuable insights into the design and reinforcement of diaphragms using staggered truss to enhance the structural performance of crane girders.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.335-342
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1999
It is well known that l-girders are weak in torsion and it might be more economical to use a box girder, which has great torsional rigidity. The use of box beams does, however, present a potential problem in that cross-sectional distortions can induce large warping normal stresses and transverse bending stress. Accordingly a sufficient number of diaphragms are provided to make the distortional effects minimal. In engineering practice, diaphragms are spaced in 5m intervals without reasonable basis. It is considered to be noneconomical design to the almost design engineers, and it may produce the unsafe structural systems in special cases such as curved bridges with large initial curvature. These problems have not been solved for the lack of adequate tools of structural analysis. In this study, on the basis of the parametric studies, the design formulas for the distortional warping stress and the reasonable diaphragm spacing of box girder were presented.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.3
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pp.306-320
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2010
Modern ultra-large container carriers can be exposed to the unprecedented springing excitation from ocean waves due to their relatively low torsional rigidity. Large deck opening on the deck of container carriers tends to cause warping distortion of hull structure under wave-induced excitation, eventually leading to the higher chance of resonance vibration between its torsional response and incoming waves. To handle this problem, a higher-order B-spline Rankine panel method and Vlasov-beam FE model was directly coupled in the time domain, and the coupled equation was solved by using an implicit iterative method. In order to capture the complicated behavior of thin-walled open section girder, a sophisticated beam-based finite element model was developed, which takes into account warping distortion and shear-on-wall effect. Then, the developed beam model was directly coupled with the time-domain Rankine panel method for hydrodynamic problem by using the fixed-point iteration method. The developed computational scheme was validated through the comparison with the frequency-domain solution on the container carrier model in linear springing regime.
Single angle or channel with thin-walled open section can be used as compression member for example as web member in truss. In this case the inevitable eccentricity due to fabrication is commonly neglected in structural design. However eccentricity effect should be considered in the member design, especially in case of compression member. The critical loads of compression members that buckle by twisting or by a combination of bending and twisting are to be determined by solving governing differential equations. In this paper, the investigations are limited to the rolled channels([), equal-leg angles(L), lipped channels(C) and the applied loads are assumed to have some eccentricities.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
Kim, Hwa-Rang;Lim, Nam-Hyoung;Park, Jong-Sup;Yun, Kyung-Min;Yoon, Ki-Yong
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.12
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pp.6527-6533
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2013
A fish-bone girder pier affects torsion severely because of the one girder system. This study was performed to develop an analytical model to analyze and design a fish-bone girder pier properly. This model consisted of a beam element with 7-degrees of freedom considering the warping rigidity. Several beam-column connection conditions were considered. The static load test was performed using a real size specimen. The validity of this model was tested by a comparison of the analytical results with the experimental results. This analytical model is useful for designing the bolt connection of a Spine girder.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.40
no.4
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pp.16-21
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2003
The very large container ships have been built recently and those ships have very small structural rigidity compared with the other conventional ships. As a result, the destruction of ship hull is occurred by the springing including to warping phenomena due to encounter waves. In this study, the solutions of hydrodynamic coefficients are obtained by solving the three dimensional source distribution method and the forward speed Green function representing a translating and pulsating source potential for infinite water depth is used to calculating the integral equation. The vessel is longitudinally divided into various sections and the added mass, wave damping and wave exciting forces of each section is calculated by integrating the dynamic pressures over the mean wetted section surface. The equations for six degree freedom of motions is obtained for each section in the frequency domain and stiffness matrix is calculated by Euler beam theory. The computations are carried out for very large ship and effects of bending and torsional ridigity on the wave frequency and angle are investigated.
The use of high-strength steels in construction of highrise and mega building structures can bring about many technological advantages from fabrication to erection. However, key design criteria such as local and lateral stability in current steel design specifications were developed based on tests of ordinary steels which have stress-strain characteristics very different from that of high strength steels. A series of tests on 800 MPa tensile strength steel (HSA800) members are summarized in this paper which were conducted to investigate the appropriateness of extrapolating current ordinary-steel based design criteria to high strength steels. 800 MPa I-shape beam specimens designed according to flange local buckling (FLB) criteria of the AISC Specification developed a sufficient strength for elastic design and a marginal rotation capacity for plastic design. It is shown that, without introducing distinct and significant yield plateau to the stress-strain property of high-strength steel, it is inherently difficult to achieve a high rotation capacity even if all the current stability limits are met. 800 MPa I-shape beam specimens with both low and high warping rigidity exhibited sufficient lateral torsional buckling (LTB) strength. HSA800 short-column specimens with various edge restraint exhibited sufficient local buckling strength under uniform compression and generally outperformed ordinary steel specimens. The experimental P-M strength was much higher than the AISC nominal P-M strength. The measured residual stresses indicated that the impact of residual stress on inelastic buckling of high-strength steel is less. Cyclic seismic test results showed that HSA800 members have the potential to be used as non-ductile members or members with limited ductility demand in seismic load resisting systems. Finally, recent applications of 800 MPa high strength steel to highrise and mega building structures in Korea are briefly presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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