In this paper, we present a 3D thermo-hydro-mechanical coupled discrete beam lattice model of structure built of the nonisothermal saturated poro-plastic medium subjected to mechanical loads and nonstationary heat transfer conditions. The proposed model is based on Voronoi cell representation of the domain with cohesive links represented as inelastic Timoshenko beam finite elements enhanced with additional kinematics in terms of embedded strong discontinuities in axial and both transverse directions. The enhanced Timoshenko beam finite element is capable of modeling crack formation in mode I, mode II and mode III. Mode I relates to crack opening, mode II relates to in-plane crack sliding, and mode III relates to the out-of-plane shear sliding. The pore fluid flow and heat flow in the proposed model are governed by Darcy's law and Fourier's law for heat conduction, respectively. The pore pressure field and temperature field are approximated with linear tetrahedral finite elements. By exploiting nodal point quadrature rule for numerical integration on tetrahedral finite elements and duality property between Voronoi diagram and Delaunay tetrahedralization, the numerical implementation of the coupling results with additional pore pressure and temperature degrees of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The results of several numerical simulations are presented and discussed.
The static and dynamic responses of guyed telecommunication towers can be determined by using two models, the space truss element model, and the equivalent beam-column element model. The equivalent beam-column analysis is based on the determination of the equivalent shear, torsion, and bending rigidities as well as the equivalent area of the guyed mast. In the literature, two methods are currently available to determine the equivalent properties of lattice structures, namely: the unit load method, and the energy approach. In this study, an equivalent beam-column analysis is introduced based on an equivalent thin plate approach for lattice structures. A finite-element modeling, using suitably modified ABAQUS software, is used to investigate the accuracy of utilizing the different proposed methods in determining the static and dynamic responses of a guyed tower of 364.5-meter high subjected to static and seismic loading conditions. The results from these analyses are compared to those obtained from a finite-element modeling of the actual structure using 3-D truss and beam elements. Good agreement is shown between the different proposed beam-column models, and the model of the actual structure. However, the proposed equivalent thin plate approach is simpler to apply than the other two approaches.
Fortas, Lahcene;Messai, Abderraouf;Merzouki, Tarek;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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v.43
no.1
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pp.31-54
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2022
This paper is concerned with the buckling behavior of functionally graded graphene reinforced porous nanocomposite beams based on the finite element method (FEM) using two variables trigonometric shear deformation theory. Both Young's modulus and material density of the FGP beam element are simultaneously considered as grading through the thickness of the beam. The finite element approach is developed using a nonlocal strain gradient theory. The governing equations derived here are solved introducing a 3-nodes beam element, and then the critical buckling load is calculated with different porosity distributions and GPL dispersion patterns. After a convergence and validation study to verify the accuracy of the present model, a comprehensive parametric study is carried out, with a particular focus on the effects of weight fraction, distribution pattern of GPL reinforcements on the Buckling behavior of the nanocomposite beam. The effects of various structural parameters such as the dispersion patterns for the graphene and porosity, thickness ratio, boundary conditions, and nonlocal and strain gradient parameters are brought out. The results indicate that porosity distribution and GPL pattern have significant effects on the response of the nanocomposite beams, and the results allows to identify the most effective way to achieve improved buckling behavior of the porous nanocomposite beam.
The structural behaviors of circular concrete filled steel tube (CFT) structures are investigated by nonlinear finite element method. An efficient three-dimensional (3D) degenerated beam element is adopted. Based on those previous studies, a modified stress-strain relationship for confined concrete which introduces the influence of eccentricity on confining stress is presented. Updated Lagrange formulation is used to consider the geometrical nonlinearity induced by large deformation effect. The nonlinear behaviors of CFT structures are investigated, and the accuracy of the proposed constitutive model for confined concrete is mainly concerned. The results demonstrate that the confining effect in CFT elements subjected to combining action of axial force and bending moment is far sophisticated than that in axial loaded columns, and an appropriate evaluation about this effect may be important for nonlinear numerical simulation of CFT structures.
Park, Du-Hee;Park, Jong-Bae;Kim, Sang-Yeon;Park, Yong-Boo
Land and Housing Review
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v.4
no.3
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pp.271-277
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2013
The BNWF (Beam on Nonlinear Winkler Foundation) model is one of the simplest idealizations for a pile embedded in soil as it ignores the continuity of the soil. This method is difficult to model the behavior of pile group foundation subjected to lateral loading. The limitation can be overcome with the utilization of the finite element method (FEM) or finite different method (FDM) to represent a pile element embedded in a soil medium. Both the ground and piles are modeled with soild elements. The solid elements, which do not have rotational degree of freedom, is not appropriate for modeling piles. It can be overcome by substantially increasing the number of elements, which can be prohibitive for 3D modeling. This paper used the beam element and rigid link incorporated in the OpenSees to model the pile. The accuracy of the model is validated through comparison with lateral load test and BNWF analysis. It is shown that the method can capture the measured behavior accurately. It is therefore recommended to be used in group pile analyses.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2005.11a
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pp.315-318
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2005
Vlasov's hypothesis provides a way to solve the torsional problem with warping torsion of double T-beam section. Not only the warping torsion of the gross section of double T-beam but the torsional resistances of PS tendons and reinforcements have to be considered together in the analysis in which the latter is the restoring roles provided by the upward and downward force components in a geometrical symmetric configuration. It means that the torsional resistances of PS tendons and reinforcements, usually ignored, store the strain energies due to up-downward geometrical changes. Space frame element with 7-degrees of freedom are used for the finite element approximation of the real behaviors. Bimoments and angles of twist obtained from the proposed method show good agreements with those of 3-D. finite element analysis and analytical analysis
In this study, stress and deflection behaviours of T-type welding joint applied to HE200M steel beam and column were investigated in finite element method (FEM) under different distributed loads. In the 3D-FEM modelling, glue option was used to contact between steel materials and weld nuggets. Geometrical model was designed as 3-dimensional solid in ANSYS software program. After that, homogeneous, linear and isotropic properties were used to design to materials of model. Solid-92 having 3-dimensional, 4 faced and 10-noded was selected as element type. In consequence of mesh operation, elements of 13285 and nodes of 28086 were occurred. Load distribution was applied to top surface of steel beam to determine behaviours of stress and deflection. As a result of FEM analysis applied with the loads of 55,000 N, 110,000 N and 220,000 N, maximum values were obtained as 116 N/$mm^2$, 232 N/$mm^2$ and 465 N/$mm^2$ for stress and obtainedas 1,083 mm, 2,166 mm and 4.332 mm for deflection, respectively. When modelling results and classical calculation values were compared, it was obtained difference of 10 % for stress values and 2.5% for deflection values.
A smart beam made of magneto-electro-elastic (MEE) material having piezoelectric phase and piezomagnetic phase, shows the coupling between magnetic, electric, thermal and mechanical under thermal environment. Product properties such as pyroelectric and pyromagnetic are generated in this MEE material under thermal environment. Recently studies have been published on the product properties (pyroelectric and pyromagnetic) for magneto-electro-thermo-elastic smart composite. Hence, the magneto-electro-elastic beam with different volume fractions, investigated under uniform temperature rise is the main aim of this paper, to study the influence of product properties on clamped-free boundary condition, using finite element procedures. The finite element beam is modeled using eight node 3D brick element with five nodal degrees of freedom viz. displacements in the x, y and z directions and electric and magnetic potentials. It is found that a significant increase in electric potential observed at volume fraction of $BaTiO_3$, $v_f$ = 0.2 due to pyroelectric effect. In-contrast, the displacements and stresses are not much affected.
Dae-Guen Lim;Gil-Yong Lee;Nam-Gyu Park;Yong-Hwa Park
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.8
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pp.3450-3462
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2024
This paper presents a computational framework for drop time assessment of a control element assembly (CEA) under fuel assembly (FA) deformations. The proposed framework consists of three key components: 1) finite element modeling of CEA, 2) fluid-structure interaction to compute drag force, and 3) modeling of frictional contact between CEA and FA. Specially, to accommodate the large motion of CEA, beam elements based on absolute nodal coordinate formulation (ANCF) are adopted. The continuity equation is utilized to calculate the drag force, considering flow changes in the cross-sectional area during the CEA drop. Lastly, beam-inside-beam frictional contact model is employed to capture practical contact conditions between CEA and FA. The proposed framework is validated through experiments under two scenarios: free falls of CEA within FA, encompassing undeformed and deformed scenarios. The experimental validation of the framework demonstrated that the drop time of CEA can be accurately predicted under the complex coupling effects of fluid and frictional contact. The drop times of the S-shaped deformation case is longer than those of the C-shaped deformation case, affirming the time delay due to frictional force. The validation confirms the potential applicability to access the safety and reliability of nuclear power plants under extreme conditions.
This paper presents and compares a one-dimensional (1D) bending theory for piezoelectric thin beam-type structures with resistive-inductive electrodes to ANSYS$^{(R)}$ three-dimensional (3D) finite element (FE) analysis. In particular, the lateral deflections and vibrations of slender piezoelectric beams are considered. The peculiarity of the piezoelectric beam model is the modeling of electrodes in such a manner that is does not fulfill the equipotential area condition. The case of ideal, perfectly conductive electrodes is a special case of our 1D model. Two-coupled partial differential equations are obtained for the lateral deflection and for the voltage distribution along the electrodes: the first one is an extended Bernoulli-Euler beam equation (second-order in time, forth order in space) and the second one the so-called Telegrapher's equation (second-order in time and space). Analytical results of our theory are validated by 3D electromechanically coupled FE simulations with ANSYS$^{(R)}$. A clamped-hinged beam is considered with various types of electrodes for the piezoelectric layers, which can be either resistive and/or inductive. A natural frequency analysis as well as quasi-static and dynamic simulations are performed. A good agreement between the extended beam theory and the FE results is found. Finally, the practical relevance of this type of electrodes is shown. It is found that the damping capability of properly tuned resistive or resistive-inductive electrodes exceeds the damping performance of beams, where the electrodes are simply linked to an optimized impedance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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