Sandwich structures constitute basic components of advanced supersonic/hypersonic flight and launch vehicles. These advanced flight vehicles operate in hostile environments consisting of high temperature, moisture, and pressure fields. As a result, these structures are exposed to large lateral pressures, large compressive edge loads, and high temperature gradients which can create large stresses and strains within the structure and can produce the instability of the structure. This creates the need for a better understanding of the behavior of these structures under these complex loading conditions. Moreover, a better understanding of the load carrying capacity of sandwich structures constitutes an essential step towards a more rational design and exploitation of these constructions. In order to address these issues, a comprehensive geometrically non-linear theory of doubly curved sandwich structures constructed of anisotropic laminated face sheets with an orthotropic core under various loadings for simply supported edge conditions is developed. The effects of the radii of curvature, initial geometric imperfections, pressure, uniaxial compressive edge loads, biaxial edge loading consisting of compressive/tensile edge loads, and thermal loads will be analyzed. The effect of the structural tailoring of the facesheets upon the load carrying capacity of the structure under these various loading conditions are analyzed. In addition, the movability/immovability of the unloaded edges and the end-shortening are examined. To pursue this study, two different formulations of the theory are developed. One of these formulations is referred to as the mixed formulation, While the second formulation is referred to as the displacement formulation. Several results are presented encompassing buckling, postbuckling, and stress/strain analysis in conjunction with the application of the structural tailoring technique. The great effects of this technique are explored. Moreover, comparisons with the available theoretical and experimental results are presented and good agreements are reported. / Ph. D.

The 1999 AISC Specification for Structural Steel Buildings establishes two design equations for the web crippling limit state at the supports. However, investigators have suggested that the basis of these equations, which is based on an assumed collapse mechanism, is conservative especially for long bearing lengths. Most of the experimental studies conducted to validate those formulas have considered short span lengths and relatively small bearing-to-depth ratios. Therefore, a further investigation of the web crippling capacity of W-shape steel beams for larger span lengths and larger bearing-to-length ratios was undertaken. The primary objective of this study is to analytically investigate the web crippling strength of W-shape steel beams for large bearing-to-depth ratios on large span beams, and to compare the results with the 1999 AISC LRFD web crippling design equation (K1-5b). The web crippling strength of W-shape steel beams was investigated by means of the finite element technique. The commercial finite element package ANSYS 6.0 was used to model the steel beams. Material nonlinearities, large deformation effects and initial geometric imperfections were taken into account in the finite element models. The validation results shown that the finite element models closely predicted the ultimate load and web crippling failure mode shape of the tested beams. Conclusions based on the predictions of the finite element analyses and the current 1999 AISC end web crippling design equation (K1-5b) are presented in the study. / Master of Science

The relining of deteriorated gravity flow and pressure pipes with polymeric liners is now popular practice. In the water industry, health concerns and challenges associated with re-opening water services in a lined small diameter pipe have limited the use of liners. Sanexen Environmental Services Inc. in Montreal, Canada, manufactures a cured-in-place liner system which can restore water service connections after lining from within the pipe, using a remote controlled robot. The installation of the liner within cast iron water pipes can result in the formation of geometric imperfections (wrinkles) as the external diameter of the liner often exceeds the internal diameter of the host pipe. Previous studies have suggested that the wrinkles have a detrimental effect on the structural performance of the liner. In this study, experimental and analytical investigations were conducted to evaluate further the effect of the wrinkles on the circumferential (hoop) strength of the liner. The experimental investigation involved testing 33-25 mm wide ring samples of the liner with and without wrinkles, using the split-disk test method which is defined by ASTM Standard D2290. The laboratory tests were conducted to examine the effects on the response of the liner of loading rate, cyclic loading, and presence of different wrinkle configurations. A series of two-tailed Mann-Whitney statistical tests were conducted on the obtained test data. The analytical investigation examined the behavior of two of the three types of wrinkles observed in the liner using finite element models. The results from the models were evaluated using the experimental results. This study confirmed that the wrinkles were a source of weakness in the liner as failure was initiated at the wrinkle in all the test samples. It also showed that their presence may or may not result in a reduction in the ultimate hoop tensile capacity of the liner depending on wrinkle pattern. The loading rate had no significant effect on the first cracking load of the resin within the wrinkle. However, lower ultimate hoop tensile capacities were observed at very slow loading rates. Under the 50-year cyclic loading, the resin within the wrinkle was susceptible to cracking while the jackets of the wrinkle remained intact. / Thesis (Master, Civil Engineering) -- Queen's University, 2008-09-16 22:38:10.234

As de torres treliçadas estaiadas são muito utilizadas e são foco de atenção na pesquisa da engenharia moderna, apresentando-se como um desafio na avaliação das excitações que sobre elas atuam, assim como a determinação das respostas dos elementos que as compõem. Para realizar um estudo neste sentido se realiza no presente trabalho a avaliação estrutural de uma torre treliçada estaiada, localizada na Universidade de Passo Fundo. Esta torre se encontra instrumentada, registrando velocidades de vento de forma contínua, sendo possível determinar nos registros existentes ventos característicos de tormentas TS e EPS. Se conta também com a caracterização dinâmica desta torre para qual foram determinadas suas freqüências naturais de vibração. Utilizando a informação supracitada foram criados modelos estruturais de diferentes níveis de complexidade que foram calibrados utilizando as informações disponíveis. A excitação devida a tormentas foi montada, comparando espectros de excitação clássicos disponíveis na literatura técnica e os registros experimentais de tormentas reais disponíveis. Também foi analisado um montante da torre submetido à compressão onde sua seção transversal é uma cantoneira de abas iguais. Foi determinada a carga de colapso deste perfil considerando as não linearidades físicas e geométricas incorporadas no mesmo. Foi prestada singular atenção ao estudo da influência das imperfeições, utilizando para isto expressões propostas pela bibliografia especializada e o quadro de imperfeições que foi extraído do escaneamento tridimensional de um montante real. Finalmente os diferentes aspectos estudados são discutidos nesta dissertação os quais permitem conhecer melhor o comportamento estrutural de torres estaiadas, em forma global, dos componentes que as compõem e das solicitações que atuam sobre elas. A forma em que se estudaram estes aspectos sem duvida enriqueceram a discussão do complexo tema da incerteza de modelo um dos atuais frentes na pesquisa da engenharia moderna. / The analysis of frames guyed masts are widely used and are the focus of attention in the research of modern engineering, presenting a challenge in the evaluation of excitations that act on them, and determining the responses of the component elements. To undertake a study to that effect, in this essay is made the evaluation of a structural truss of guyed masts, located at the University of Passo Fundo. This tower has equipments that record wind speeds in a continuous manner, being able to determine data about TS and EPS storms in the existing records. It also determines the natural frequencies of vibration as a dynamic characteristic of the tower. Using the above information, structural models of different levels of complexity were created, being calibrated using the available data. The excitement caused by storms was created by comparing the excitation spectra classics available in the technical literature and the experimental records of actual storms available. Also discussed was an amount subject to compression of the tower where its cross section is a corner of tabs equal. Was determined from the load profile given the collapse of physical and geometric nonlinearities embedded in it. Individual attention was given to the study of the influence of imperfections, using it to expressions proposed by the specialized literature and the framework of imperfection that was extracted from three-dimensional scanning of an actual amount.

As de torres treliçadas estaiadas são muito utilizadas e são foco de atenção na pesquisa da engenharia moderna, apresentando-se como um desafio na avaliação das excitações que sobre elas atuam, assim como a determinação das respostas dos elementos que as compõem. Para realizar um estudo neste sentido se realiza no presente trabalho a avaliação estrutural de uma torre treliçada estaiada, localizada na Universidade de Passo Fundo. Esta torre se encontra instrumentada, registrando velocidades de vento de forma contínua, sendo possível determinar nos registros existentes ventos característicos de tormentas TS e EPS. Se conta também com a caracterização dinâmica desta torre para qual foram determinadas suas freqüências naturais de vibração. Utilizando a informação supracitada foram criados modelos estruturais de diferentes níveis de complexidade que foram calibrados utilizando as informações disponíveis. A excitação devida a tormentas foi montada, comparando espectros de excitação clássicos disponíveis na literatura técnica e os registros experimentais de tormentas reais disponíveis. Também foi analisado um montante da torre submetido à compressão onde sua seção transversal é uma cantoneira de abas iguais. Foi determinada a carga de colapso deste perfil considerando as não linearidades físicas e geométricas incorporadas no mesmo. Foi prestada singular atenção ao estudo da influência das imperfeições, utilizando para isto expressões propostas pela bibliografia especializada e o quadro de imperfeições que foi extraído do escaneamento tridimensional de um montante real. Finalmente os diferentes aspectos estudados são discutidos nesta dissertação os quais permitem conhecer melhor o comportamento estrutural de torres estaiadas, em forma global, dos componentes que as compõem e das solicitações que atuam sobre elas. A forma em que se estudaram estes aspectos sem duvida enriqueceram a discussão do complexo tema da incerteza de modelo um dos atuais frentes na pesquisa da engenharia moderna. / The analysis of frames guyed masts are widely used and are the focus of attention in the research of modern engineering, presenting a challenge in the evaluation of excitations that act on them, and determining the responses of the component elements. To undertake a study to that effect, in this essay is made the evaluation of a structural truss of guyed masts, located at the University of Passo Fundo. This tower has equipments that record wind speeds in a continuous manner, being able to determine data about TS and EPS storms in the existing records. It also determines the natural frequencies of vibration as a dynamic characteristic of the tower. Using the above information, structural models of different levels of complexity were created, being calibrated using the available data. The excitement caused by storms was created by comparing the excitation spectra classics available in the technical literature and the experimental records of actual storms available. Also discussed was an amount subject to compression of the tower where its cross section is a corner of tabs equal. Was determined from the load profile given the collapse of physical and geometric nonlinearities embedded in it. Individual attention was given to the study of the influence of imperfections, using it to expressions proposed by the specialized literature and the framework of imperfection that was extracted from three-dimensional scanning of an actual amount.

As de torres treliçadas estaiadas são muito utilizadas e são foco de atenção na pesquisa da engenharia moderna, apresentando-se como um desafio na avaliação das excitações que sobre elas atuam, assim como a determinação das respostas dos elementos que as compõem. Para realizar um estudo neste sentido se realiza no presente trabalho a avaliação estrutural de uma torre treliçada estaiada, localizada na Universidade de Passo Fundo. Esta torre se encontra instrumentada, registrando velocidades de vento de forma contínua, sendo possível determinar nos registros existentes ventos característicos de tormentas TS e EPS. Se conta também com a caracterização dinâmica desta torre para qual foram determinadas suas freqüências naturais de vibração. Utilizando a informação supracitada foram criados modelos estruturais de diferentes níveis de complexidade que foram calibrados utilizando as informações disponíveis. A excitação devida a tormentas foi montada, comparando espectros de excitação clássicos disponíveis na literatura técnica e os registros experimentais de tormentas reais disponíveis. Também foi analisado um montante da torre submetido à compressão onde sua seção transversal é uma cantoneira de abas iguais. Foi determinada a carga de colapso deste perfil considerando as não linearidades físicas e geométricas incorporadas no mesmo. Foi prestada singular atenção ao estudo da influência das imperfeições, utilizando para isto expressões propostas pela bibliografia especializada e o quadro de imperfeições que foi extraído do escaneamento tridimensional de um montante real. Finalmente os diferentes aspectos estudados são discutidos nesta dissertação os quais permitem conhecer melhor o comportamento estrutural de torres estaiadas, em forma global, dos componentes que as compõem e das solicitações que atuam sobre elas. A forma em que se estudaram estes aspectos sem duvida enriqueceram a discussão do complexo tema da incerteza de modelo um dos atuais frentes na pesquisa da engenharia moderna. / The analysis of frames guyed masts are widely used and are the focus of attention in the research of modern engineering, presenting a challenge in the evaluation of excitations that act on them, and determining the responses of the component elements. To undertake a study to that effect, in this essay is made the evaluation of a structural truss of guyed masts, located at the University of Passo Fundo. This tower has equipments that record wind speeds in a continuous manner, being able to determine data about TS and EPS storms in the existing records. It also determines the natural frequencies of vibration as a dynamic characteristic of the tower. Using the above information, structural models of different levels of complexity were created, being calibrated using the available data. The excitement caused by storms was created by comparing the excitation spectra classics available in the technical literature and the experimental records of actual storms available. Also discussed was an amount subject to compression of the tower where its cross section is a corner of tabs equal. Was determined from the load profile given the collapse of physical and geometric nonlinearities embedded in it. Individual attention was given to the study of the influence of imperfections, using it to expressions proposed by the specialized literature and the framework of imperfection that was extracted from three-dimensional scanning of an actual amount.

O presente trabalho apresenta proposta de análise numérica de perfis de aço formados a frio submetidos à compressão centrada. Trata-se de investigação, realizada por meio de elementos finitos, com vistas à análise da influência de imperfeições geométricas iniciais presentes em perfis U simples e U enrijecido, sob os aspectos de sua forma, magnitude e sentido. A imperfeição geométrica é adotada na forma de modos de falha local, global e distorcional, observando a suscetibilidade a tais modos para a seção de interesse. Cada tipo de imperfeição é avaliado de forma isolada e, em seguida, de forma associada (conjunta). São apresentados aspectos referentes à estratégia de modelagem adotada na construção dos modelos numéricos, bem como aspectos de interesse com relação às análises não-lineares aqui consideradas. Para fins de obtenção da força de colapso, fica examinada a possibilidade de empregar modos de falha isolados para representar as imperfeições geométricas, porém, com a amplitude previamente ajustada. Para os casos de imperfeições associadas, para representar a imperfeição geométrica, se destaca o papel do sentido da imperfeição do tipo global com relação a sua associação às imperfeições dos tipos local e distorcional para perfis U enrijecidos, bem como à imperfeição do tipo local para perfis U simples. / The work presents a numerical analysis on cold-formed steel members compressed between pinned ends. One is about an inquiry carried through in finite elements in which it was studied the influence of initial geometric imperfections, existing in plain channels and lipped channels, under the aspects of its form, magnitude and signal. The geometric imperfection is adopted on the forms of the local, global and distortional buckling modes, observing the susceptibility to such modes for each type of section. Each imperfection is evaluated on the isolated way and after that of associated way. Referring aspects to the strategy of modeling adopted in the construction of the numerical models are presented, as well as aspects of interest with regard to the developed nonlinear analyses. For ends of attainment of the ultimate load, it is examined the possibility to use isolated buckling modes to represent the geometric imperfections, as long as the amplitude it is adjusted. The cases that had applied coupled imperfection to represent the geometric imperfection detach the paper of the signal of the imperfection of the global type with regard to its association to the imperfections of the types local and distortional for lipped channels and, to the one of the local type for plain channels.

O presente trabalho apresenta proposta de análise numérica de perfis de aço formados a frio submetidos à compressão centrada. Trata-se de investigação, realizada por meio de elementos finitos, com vistas à análise da influência de imperfeições geométricas iniciais presentes em perfis U simples e U enrijecido, sob os aspectos de sua forma, magnitude e sentido. A imperfeição geométrica é adotada na forma de modos de falha local, global e distorcional, observando a suscetibilidade a tais modos para a seção de interesse. Cada tipo de imperfeição é avaliado de forma isolada e, em seguida, de forma associada (conjunta). São apresentados aspectos referentes à estratégia de modelagem adotada na construção dos modelos numéricos, bem como aspectos de interesse com relação às análises não-lineares aqui consideradas. Para fins de obtenção da força de colapso, fica examinada a possibilidade de empregar modos de falha isolados para representar as imperfeições geométricas, porém, com a amplitude previamente ajustada. Para os casos de imperfeições associadas, para representar a imperfeição geométrica, se destaca o papel do sentido da imperfeição do tipo global com relação a sua associação às imperfeições dos tipos local e distorcional para perfis U enrijecidos, bem como à imperfeição do tipo local para perfis U simples. / The work presents a numerical analysis on cold-formed steel members compressed between pinned ends. One is about an inquiry carried through in finite elements in which it was studied the influence of initial geometric imperfections, existing in plain channels and lipped channels, under the aspects of its form, magnitude and signal. The geometric imperfection is adopted on the forms of the local, global and distortional buckling modes, observing the susceptibility to such modes for each type of section. Each imperfection is evaluated on the isolated way and after that of associated way. Referring aspects to the strategy of modeling adopted in the construction of the numerical models are presented, as well as aspects of interest with regard to the developed nonlinear analyses. For ends of attainment of the ultimate load, it is examined the possibility to use isolated buckling modes to represent the geometric imperfections, as long as the amplitude it is adjusted. The cases that had applied coupled imperfection to represent the geometric imperfection detach the paper of the signal of the imperfection of the global type with regard to its association to the imperfections of the types local and distortional for lipped channels and, to the one of the local type for plain channels.

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Aparentemente, a análise estrutural de uma cantoneira simples submetida à compressão constitui um problema elementar e, portanto, já largamente conhecido. Entretanto, as cantoneiras formadas a frio, em geral com paredes delgadas (elevadas relações largura/espessura), apresentam dois modos críticos de instabilidade: (i) modo global de flexão, no caso de barras longas, e um modo coincidente local-chapa/global de flexo-torção, que é crítico para barras de menor comprimento. Embora existam procedimentos simplificados de cálculo, recomendados pelas normas, a consideração do modo de flexo-torção é controversa entre pesquisadores. Alguns trabalhos recentes indicam que é conservador considerar o modo de flexo-torção no cálculo da força normal resistente, enquanto outros trabalhos apontam para a necessidade dessa abordagem. Nesse trabalho é investigada a resposta estrutural de cantoneiras simples e enrijecida submetidas à compressão centrada e excêntrica, por meio de análise experimental e de análise numérica não-linear via elementos finitos, sendo avaliado o efeito das imperfeições geométricas iniciais na força normal resistente; também são avaliados os resultados provenientes dos procedimentos normativos: (i) o clássico método das larguras efetivas e (ii) o método da resistência direta (MRD), em que as cantoneiras não são relacionadas como perfis pré-qualificados. Os resultados da análise experimental e da análise numérica não-linear com imperfeições geométricas iniciais indicam a necessidade da consideração do modo de flexo-torção. / Apparently, the structural analysis of a simple angle under compression is an elementary problem, therefore, already largely known. However, cold-formed steel angles, mostly with slender legs, present two critical buckling modes: (i) global-flexural mode, in cases of high length members, (ii) and a coincident local-plate/global-torsional-flexural mode, which is critical for short length members. Although simplified design procedures exist, recommended by specifications, the consideration of the torsional-flexural mode is controversial among researchers. A few recent papers indicate that considering the torsional-flexural mode is conservative, while other papers point to the necessity of this approach. This work investigates the structural response of simple and lipped angles under concentrically and eccentrically compression, by means of tests and nonlinear finite element analysis, being evaluated the effect of initial geometric imperfections; also evaluating the results from design procedures: (i) the classic effective width method and (ii) the direct strength method (DSM), where the angles are not pre-qualified shapes. The results of the experimental and nonlinear numerical analysis with initial imperfections indicate the necessity of considering the torsional-flexural mode.