Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.1
s.244
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pp.18-25
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2006
The purpose of this research work is to demonstrate a successful application of hybrid-mixed formulation and nodeless degrees of freedom in developing a very accurate in-plane curved beam element for free vibration analysis. To resolve the numerical difficulties due to the spurious constraints, the present element, based on the Hellinger-Reissner variational principle and considering the effect of shear deformation, employed consistent stress parameters corresponding to cubic displacement polynomials with additional nodeless degrees. The stress parameters were eliminated by the stationary condition, and the nodeless degrees were condensed by Guyan Reduction. Several numerical examples indicated that the property of the mass matrix as well as that of the stiffness matrix have a great effect on the numerical performance. The element with consistent mass matrix produced best results on convergence and accuracy in the numerical analysis of Eigenvalue problems. Also, the higher-order mixed curved beam element showed a superior numerical behavior for the free vibration analyses.
A new finite shear wall element model and a method for calculation of 3D multi-storied only shear walled or shear walled - framed structures using finite shear wall elements assumed ideal elasto - plastic material are developed. The collapse load of the system subjected to factored constant gravity loads and proportionally increasing lateral loads is calculated with a method of load increments. The shape functions over the element are determined as a cubic variation along the story height and a linear variation in horizontal direction because of the rigid behavior of the floor slab. In case shear walls are chosen as only one element in every floor, correct solutions are obtained by using this developed element. Because of the rigid behavior of the floor slabs, the number of unknowns are reduced substantially. While in framed structures, classical plastic hinge hypothesis is used, in nodes of shear wall elements when vertical deformation parameter is exceeded ${\varepsilon}_e$, this node is accepted as a plastic node. While the system is calculated with matrix displacement method, for determination of collapse safety, plastic displacements and plastic deformations are taken as additional unknowns. Rows and columns are added to the system stiffness matrix for additional unknowns.
The influence of the plastic flow rules on the elasto-plastic behaviour of a discrete joint element was investigated by performing the numerical direct shear tests under both constant normal displacement and normal displacement conditions. The finite interface elements obeying Plesha’s joint constitutive law was used to allow the relative motion of the rock blocks on the joint surface. Realistic results were obtained in the tests adopting the non-associated flow rule, while the associated flow rule overestimated the joint dilation. To overcome the computational drawbacks coming from the non-symmetric element stiffness matrix in the conventional non-associated plasticity, the symmetric formulation of the tangential stiffness matrix for a non-associated joint element was proposed. The symmetric elasto-plastic matrix it derived by assuming an imaginary equivalent joint with associated flow rule which shows the same plastic response as that of original Joint with non-associated flow rule. The validity of the formulation was confirmed through the numerical direct shear tests under constant normal stress condition.
Cable supported structures have been widely used in civil engineering. Cable tension estimation has great importance in cable supported structures' analysis, ranging from design to construction and from inspection to maintenance. Even though the Bernoulli-Euler beam element is commonly used in the traditional finite element method for calculation of frequency and cable tension estimation, many elements must be meshed to achieve accurate results, leading to expensive computation. To improve the accuracy and efficiency, a dynamic finite element method for estimation of cable tension is proposed. In this method, following the dynamic stiffness matrix method, frequency-dependent shape functions are adopted to derive the stiffness and mass matrices of an exact beam element that can be used for natural frequency calculation and cable tension estimation. An iterative algorithm is used for the exact beam element to determine both the exact natural frequencies and the cable tension. Illustrative examples show that, compared with the cable tension estimation method using the conventional beam element, the proposed method has a distinct advantage regarding the accuracy and the computational time.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.163-167
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2001
A two-dimensional progressive failure analysis method is presented for the strength characterization of the composite joints under pin loading. The eight-nodes laminated she]1 element is utilized based on the updated Lagrangian formulation. The criteria by Yamada-Sun, Tsai-Wu, and the maximum stress are used for the failure estimation. The stiffness of failed layer is degraded by the complete unloading method. No factor depending on test is included in the finite element analysis except for the material strength and stiffness. Total 20 plate specimens with and without hole are tested to validate the finite element prediction. The Tsai-Wu failure criterion most conservatively estimates the strength of laminate, and the maximum stress criterion yields the highest strength because it does not consider the coupling of the failure modes. The strength by Yamada-Sun method neglecting the matrix failure effect are located between other two methods and shows best agreement with test result for laminate with hole.
For the general case of loading conditions and boundary conditions, it is very difficult to obtain closed form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. In consequence, most of previous finite element formulations are introduce approximate displacement fields to use shape functions as Hermitian polynomials, and so on. The Purpose of this study is to presents a consistent derivation of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled straight beams, to be used ill tile free vibration analysis, in which almost types of boundary conditions are exist An exact dynamic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform beam element of nonsymmetric thin-walled cross section. This numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The natural frequency is evaluated for the thin-walled straight beam structure, and the results are compared with analytic solutions in order to verify the accuracy of this study.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.45
no.2
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pp.68-77
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2003
Shell structure are widely used in a variety of engineering application and mathematical solution of shell structures are available only for a few special cases. The solution of shell structure is more complicated when it has such condition as winker foundation, variable thickness and other problem. In this paper, a simple finite element method is presented for the analysis of axisymmetric several types of shell structure subjected to axisymmetric loads and having uniform and varying wall thickness on elastic foundation. The method is based on the analogy with a beam on elastic foundation (BEF), foundation stiffness matrix where the foundation modulus and beam flexural rigidity are replaced by appropriate parameters pertaining to the shell under considerations. The technique is attractive for implementation on a numerical solution by means of a computer program coded in FORTRAN language with a few elements. To demonstrate this fact, it gives good results which compare well with SAP2000.
Complex and large lattice type structures are frequently used in design of bridge, tower, crane and aerospace structures. In general, in order to analyze these structures we have used the finite element method(FEM). This method is the most widely used and powerful method for structural analysis lately. However, it is necessary to use a large amount of computer memory and computational time because the FEM requires many degrees of freedom for solving dynamic problems exactly for these complex and large structures. For analyzing these structures on a personal computer, the authors developed the transfer stiffness coefficient method(TSCM). This method is based on the concept of the transfer of the nodal dynamic stiffness coefficient matrix which is related to force and displacement vector at each node. And we suggested TSCM for free vibration analysis of complex and large lattice type structures in the previous report. In this paper, we formulate forced vibration analysis algorithm for complex and large lattice type structures using extened TSCM. And we confirmed the validity of TSCM through computational results by the FEM and TSCM, and experimental results for lattice type structures with harmonic excitation.
Lee, Jun Seok;Kim, Moon Young;Han, Man Yop;Kim, Sung Bo;Kim, Nak Kyung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.6
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pp.727-735
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2006
In this paper, a geometric nonlinear analysis procedure of the beam-column element including multi-noded cable element in extension of companion paper (Kim et al., 2005) is presented. First, a stiffness matrix was derived about the beam-column element that considers the second effect of the initial force supposing the curved shape at each time-step, with Hermitian polynomials as the shape function. Second, the multi-noded cable element was also subjected to the tangent stiffness matrix. To verify the geometric nonlinearity of this newly developed multi-noded cable-truss element, the Innovative Prestressed Support (IPS) system using this theory was analysed by geometric nonlinear method and the results were compared with those produced by linear analysis.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.6
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pp.731-742
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2007
This paper presents a new nonlinear analysis algorithm, that is, adaptive Newton-Raphson iteration method, The presented algorithm is based on the existing Newton-Raphson method, and the concept of it can be summarized as calculating the equivalent load for stiffness(ELS) and adapting this to the initial global stiffness matrix which has already been calculated and saved in initial analysis and finally calculating the correction displacements for the nonlinear analysis, The key characteristics of the proposed algorithm is that it calculates the inverse matrix of the global stiffness matrix only once irresponsive of the number of load steps. The efficiency of the proposed algorithm depends on the ratio of the active Dofs - the Dofs which are directly connected to the members of which the element stiffness are changed - to the total Dofs, and based on this ratio by using the proposed algorithm as a complementary method to the existing algorithm the efficiency of the nonlinear analysis can be improved dramatically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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