Exact Matrix Stiffness Method for Out-of-Plane Buckling Analysis of Funicular Arches Considering Warping Deformations

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作者
Chuan-Hao Zhao,Wenhao Pan,Yaozhi Luo
出处
期刊:International Journal of Structural Stability and Dynamics [World Scientific]
卷期号:23 (01) 被引量:3
标识
DOI:10.1142/s0219455423500104
摘要

The out-of-plane buckling behavior of arches is closely related to the element torsional behavior. The traditional 12-degree-of-freedom second-order element stiffness matrix which uses a simplified element torsional stiffness GJ/[Formula: see text] (where [Formula: see text] is the shear modulus, [Formula: see text] the St. Venant torsion constant, [Formula: see text] the element length) may significantly underestimate the out-of-plane buckling loads of funicular arches. This paper presents a simple and effective exact matrix stiffness method (MSM) for the out-of-plane buckling analysis of funicular arches. The developed MSM uses a 14-degree-of-freedom second-order element stiffness matrix of three-dimensional beam-columns considering both torsion and warping deformations. The out-of-plane buckling analysis of funicular arches is performed by using the global structural stability stiffness matrix, which combines the transformed second-order element stiffness matrices. The proposed MSM with the exact 14-degree-of-freedom second-order element stiffness matrix for the out-of-plane buckling analysis is verified by comparing with some classical solutions of funicular circular and parabolic arches with box sections and I-sections. Further discussions show that the 14-degree-of-freedom second-order element stiffness matrix may be reduced to a simplified 12-degree-of-freedom form only by deriving the exact element torsional stiffnesses, which could be significantly larger than GJ/[Formula: see text] for members with large cross-sectional torsional stiffness parameters (especially open cross-sections).
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