Structural stability of column

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    1/13

    August 2014 11-1

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Stability of Columns

     

    • Bending due to a compressive axial load is called Buckling.

    • Structural members that support compressive axial loads are called Columns.

    • Buckling is the study of stability of a structure’s equilibrium.

    Learning objectives

    • Develop an appreciation of the phenomena of buckling and the various types ofstructure instabilities.

    • Understand the development and use of buckling formulas in analysis anddesign of structures.

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    2/13

    August 2014 11-2

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Buckling Phenomenon

    Energy Approach

    Bifurcation/Eigenvalue Problem

    Stable Equilibrium

     Neutral Equilibrium

    Unstable Equilibrium

    Potential Energy is Minimum

    P P

    K θθ

    θ

    L

    Lsinθ

    (c)

    O O

    StableStable

    UnstableUnstable

     PL K 

    θ ⁄ θ θsin ⁄ =

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    3/13

    August 2014 11-3

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Snap Buckling Problem

    L

    P

    P

    (45−θ)

    P

    45oFs

    Fs

    L cos(45-θ)

       L  s   i  n   (   4   5  -       θ   )

    0   θ 45o

    < <

    θ 450

    >

    θ 0=

    Fs

    P

    L cos(θ−45)

    Fs

    P

    (θ−45)

      s

      n

       −

     P 

     K  L

     L---------- 45   θ – ( )cos 45cos – ( ) 45   θ – ( )tan= 0   θ 45

    0< <

     P 

     K  L L----------   θ 45 – ( )cos 45cos – ( ) θ 45 – ( )tan=   θ 45

    0>

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    4/13

    August 2014 11-4

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Local Buckling

    crinkling

    Axial Loads

    Compressive

    Torsional Loads

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    5/13

    August 2014 11-5

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

     C11.1  Linear deflection springs and torsional springs are attached to

    rigid bars as shown.The springs can act in tension or compression and

    resist rotation in either direction. Determine Pcr , the critical load value.

      Fig. C11.1

    30 in

    O

    P

    k = 8 lbs/in

    30 in

    k = 8 lbs/in

    K = 2000 in-lbs/rads

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    6/13

    August 2014 11-6

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Euler Buckling

    Boundary Value Problem

     Differential Equation:

    Boundary conditions:

    Solution

    Trivial Solution:

     Non-Trivial Solution:

    where:

    Characteristic Equation:

    Euler Buckling Load:

    • Buckling occurs about an axis that has a minimum value of I. 

    v(x)

     M  z 

    P

     N = P

    A

    y

    x

    L

    PA

     EI 

     x2

    2

    d

    d v P v+ 0=

    v 0( ) 0= v  L( ) 0=

    v 0=

    v   x( )   A   λ xcos   B   λ xsin+=

    λ   P  EI ------=

    λ Lsin 0=

     P n

    n2

    π2 EI 

     L2

    ------------------=   n 1 2 3. ⋅ ⋅, ,=

     P cr 

    π2 EI 

     L2

    ------------=

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    7/13

    August 2014 11-7

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Buckling Mode: v   B nπ x

     L---

    ⎝ ⎠⎛ ⎞sin=

    Mode shape 2

    Mode shape 3

    Pcr Pcr

    Pcr Pcr

    L/2

    Pcr

    Pcr

    L/2

    L/3 L/3 L/3

     P cr 

    4π2 EI 

     L2

    ----------------=

     P cr 

    9π2 EI 

     L2

    ----------------=

    I

    I I

    Mode shape 1

    PcrPcr

    Pcr

    L  P cr 

    π2 EI 

     L2

    ------------=

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    8/13

    August 2014 11-8

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Effects of End Conditions

    Case

    1.

    Pinned at

     both Ends

    2.

    One end fixed,

    other end free

    3.

    One end fixed,

    other end pinned

    4.

    Fixed at both ends.

    Differen-

    tial

    Equation

    Boundary

    Conditions

    Character-

    istic

    Equation

    Critical

    Load

    Pcr 

    [

    Effective

    Length— 

    Leff 

    L 2L 0.7L 0.5L

    y

    x

    L

    P

    A

    B

    x

    L

    P

    B

    A

    y

    x

    L

    P

    B

    Ay

    x

    L

    P

    B

    A

     EI  x

    2

    2

    d

    d v P v+

    0=

     EI  x

    2

    2

    d

    d v P v+

     P v  L( )=

     EI  x

    2

    2

    d

    d v P v+

     R B  L x – ( )=

     EI  x

    2

    2

    d

    d v P v+

     R B  L x – ( )   M  B+=

    v 0( ) 0=

    v  L( ) 0=

    v 0( ) 0=

     xd

    dv0( ) 0=

    v 0( ) 0=

     xd

    dv0( ) 0=

    v  L( ) 0=

    v 0( ) 0=

     xd

    dv0( ) 0=

    v  L( ) 0=

     xd

    dv L( ) 0=

    λ   P  EI ------=

    λ Lsin 0=   λ Lcos 0=   λ Ltan   λ L= 2 1   λ Lcos – ( )

    λ L   λ Lsin – 0=

    π2 EI 

     L2

    ------------  π2 EI 

    4 L2

    ------------  π2 EI 

    2 L( )2--------------=

    20.13 EI 

     L2

    -------------------  π2 EI 

    0.7 L( )2------------------=

    4π2 EI 

     L2

    ---------------  π2 EI 

    0.5 L( )2------------------=

     P cr  π

    2

     EI  L

    eff 

    2------------=

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    9/13

    August 2014 11-9

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

    Axial Stress:

    Radius of gyration:

    Slenderness ratio: (Leff /r).

    Failure Envelopes

    • Short columns: Designed to prevent material elastic failure.

    • Long columns: Designed to prevent buckling failure.

    σcr 

     P cr 

     A--------=

    r   I 

     A---=

    σcr 

     P cr 

     A--------

      π2 E 

     Leff 

      r  ⁄ ( )2

    -----------------------= =

    A A A

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    10/13

    August 2014 11-10

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

     C11.2 Columns made from an alloy will be used in a construction of

    a frame. The cross-section of the columns is a hollow-cylinder of thick-

    ness 10 mm and outer diameter of ‘d’ mm. The modulus of elasticity is

    E = 200 GPa and the yield stress is σyield = 300 MPa. Table below showsa list of the lengths ‘L’ and outer diameters ‘d’. Identify the long and the

    short columns. Assume the ends of the column are built in.

    L

    (m)

    d

    (mm)

    1 60

    2 80

    3 100

    4 150

    5 200

    6 225

    7 250

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    11/13

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    12/13

    August 2014 11-12

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

     Class Problem 1

    Identify the members in the structures that you would check for buckling. Circle the

    correct answers.

    Structure 1 AP BP Both None

    Structure 2 AP BP Both None

    Structure 3 AP BP Both None

    Structure 4 AP BP Both None

    110o

    FA

    B

    P

    Structure 1 110o

    F

    A

    B

    P   40o

    Structure 2

    75o

    F

    A

    B

    P60

    o

    F

    AB

    P

    30o

    Structure 3

    Structure 4

  • 8/15/2019 Structural stability of column

    13/13

    August 2014 11-13

       P  r   i  n   t  e   d   f  r  o  m  :   h

       t   t  p  :   /   /  w  w  w .  m  e .  m   t  u .  e   d  u   /  ~  m  a  v  a   b   l  e   /   M  o   M   2  n   d .   h   t  m

     C11.4 A hoist is constructed using two wooden bars to lift a weight

    of 5 kips. The modulus of elasticity for wood is E = 1,800 ksi and the

    allowable normal stress 3.0 ksi. Determine the maximum value of L to

    the nearest inch that can be used in constructing the hoist.

      Fig. C11.4

    W

    B

    L ft. CA

    A

    A

    A2 in

    4 in

    Cross-section AA

    30o

    A