The objective of this study is to develop a technique that analyzes the global behavior of frame structures with local cracks. The technique is based on frame analysis and uses the stiffness matrix of cracked frame element. An algorithm proposed here analyzes a frame structure with local transverseedge cracks, considering the effects of crack length and location. Stress intensity factors are employed to calculate additional local compliance due to the cracks based on linear elastic fracture mechanics theory, and then this local compliance is utilized to derive the stiffness matrix of the cracked frame element. In order to verify the accuracy and reliability of the proposed approach, numerical results are compared with those of Finite Element Method for the cracked frame element, and the effects of single crack on the behavior of truss structure are also examined.
Reinforced Concrete beams with tension and compression softening material constitutive laws are studied. Energy-based and non-local regularisation techniques are presented and applied to a R.C. element. The element characteristics (sectional tangent stiffness matrix, element tangent stiffness matrix restoring forces) are directly derived from their symbolic expressions through numerical integration. In this way the same spatial grid allows us to obtain a non-local strain estimate and also to sample the contributions to the element stiffness matrix. Three examples show the spurious behaviors due to the strain localization and the stabilization effects given by the regularisation techniques, both in the case of tension and compression softening. The possibility to overestimate the ultimate load level when the non-local strain measure is applied to a non softening material is shown.
For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
The concrete stiffness matrices of membrane elements used in the finite element analysis of wall-type structures are reviewed and discussed. The behavior of cracked reinforced concrete membrane elements is first described by summarizing the constitutive laws of concrete and steel established for the two softened truss models (the rotating-angle softened-truss model and the fixed-angle softened-truss model). These constitutive laws are then related to the concrete stiffness matrices of the two existing cracking models (the rotating-crack model and the fixed-crack model). In view of the weakness in the existing models, a general model of the matrix is proposed. This general matrix includes two Poisson ratios which are not clearly understood at present. It is proposed that all five material properties in the general matrix should be established by new biaxial tests of panels using proportional loading and strain-control procedures.
터빈 blade에 대해 기존의 stiffness matrix법과 finite element법에 의한 방식을 개선하여 수치계산을 행한 결과 다음의 결론을 얻었다. 1)stiffness matrix법을 적용하기 위해 th.2 order로 방정식을 유도하였으며, 회전시의 원심력의 영향 및 blade의 기하학적 형상이 수식에 고려되었다. 이 방법으로 blade의 여러 parameter의 영향을 간단히 계산할 수 있다. 계산결과는 다른 논문의 결과와 잘 일치함을 보였다. 또한, 원심력의 영향에 있어서는 th.2 order의 계산결과가 기존의 변형된 th.1 order의 결과보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있다. 2) FEM 이용시 계산시간을 단축하면서 정확한 결과를 얻기 위해 blade를 간단히 modeling하여, 기하학적인 형상과 회전시의 영향을 고려한 식을 유도하였다. 본 방법의 결과는 타 문헌과 일치하였다.
Lou, Tiejiong;Lopes, Sergio M.R.;Lopes, Adelino V.
Computers and Concrete
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제15권3호
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pp.373-389
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2015
The development of a finite element model for the geometric and material nonlinear analysis of bonded prestressed concrete continuous beams is presented. The nonlinear geometric effect is introduced by the coupling of axial and flexural fields. A layered approach is applied so as to consider different material properties across the depth of a cross section. The proposed method of analysis is formulated based on the Euler-Bernoulli beam theory. According to the total Lagrangian description, the constructed stiffness matrix consists of three components, namely, the material stiffness matrix reflecting the nonlinear material effect, the geometric stiffness matrix reflecting the nonlinear geometric effect and the large displacement stiffness matrix reflecting the large displacement effect. The analysis is capable of predicting the nonlinear behaviour of bonded prestressed concrete continuous beams over the entire loading stage up to failure. Some numerical examples are presented to demonstrate the validity and applicability of the proposed model.
Huang, Ying;Zou, Haoran;Chen, Changhong;Bai, Songlin;Yao, Yao;Keer, Leon M.
Structural Engineering and Mechanics
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제72권5호
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pp.617-629
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2019
Based on the finite element method of traditional straight Euler-Bernoulli beams and the coupled relations between linear displacement and angular displacement of a pre-twisted Euler-Bernoulli beam, the shape functions and stiffness matrix are deduced. Firstly, the stiffness of pre-twisted Euler-Bernoulli beam is developed based on the traditional straight Euler-Bernoulli beam. Then, a new finite element model is proposed based on the displacement general solution of a pre-twisted Euler-Bernoulli beam. Finally, comparison analyses are made among the proposed Euler-Bernoulli model, the new numerical model based on displacement general solution and the ANSYS solution by Beam188 element based on infinite approach. The results show that developed numerical models are available for the pre-twisted Euler-Bernoulli beam, and which provide more accurate finite element model for the numerical analysis. The effects of pre-twisted angle and flexural stiffness ratio on the mechanical property are investigated.
AL-Sadder, Samir Z.;Othman, Ra'ad A.;Shatnawi, Anis S.
Structural Engineering and Mechanics
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제24권6호
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pp.647-664
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2006
In this study, an improved finite element formulation with a scheme of solution for the large deflection analysis of inextensible prismatic and nonprismatic slender beams is developed. For this purpose, a three-noded Lagrangian beam-element with two dependent degrees of freedom per node (i.e., the vertical displacement, y, and the actual slope, $dy/ds=sin{\theta}$, where s is the curved coordinate along the deflected beam) is used to derive the element stiffness matrix. The element stiffness matrix in the global xy-coordinate system is achieved by means of coordinate transformation of a highly nonlinear ($6{\times}6$) element matrix in the local sy-coordinate. Because of bending with large curvature, highly nonlinear expressions are developed within the global stiffness matrix. To achieve the solution after specifying the proper loading and boundary conditions, an iterative quasi-linearization technique with successive corrections are employed considering these nonlinear expressions to remain constant during all iterations of the solution. In order to verify the validity and the accuracy of this study, the vertical and the horizontal displacements of prismatic and nonprismatic beams subjected to various cases of loading and boundary conditions are evaluated and compared with analytic solutions and numerical results by available references and the results by ADINA, and excellent agreements were achieved. The main advantage of the present technique is that the solution is directly obtained, i.e., non-incremental approach, using few iterations (3 to 6 iterations) and without the need to split the stiffness matrix into elastic and geometric matrices.
A vector algorithm for calculating the stiffness matrices of reinforced concrete shell elements is presented. The algorithm is based on establishing vector lengths equal to the number of elements. The computational efficiency of the proposed algorithm is assessed on a Cray Y-MP supercomputer. It is shown that the vector algorithm achieves scalar-to-vector speedup of 1.7 to 7.6 on three moderate sized inelastic problems.
In this study, the modified finite element- transfer matrix methods are proposed for free vibration analysis of asymmetric structures, the bearing system of which consists of shear wall-frames. In the study, a multi-storey structure is divided into as many elements as the number of storeys and storey masses are influenced as separated at alignments of storeys. The shear walls and frames are assumed to be flexural and shear cantilever beam structures. The storey stiffness matrix is obtained by formulating the governing equation at the center of mass for the shear walls and the frames in the i.th floor. The system transfer matrix is constructed in the dimension of $6{\times}6$ by transforming the obtained stiffness matrix. Thus, the dimension, which is $12n{\times}12n$ in classical finite elements, is reduced to the dimension of $6{\times}6$. To study the suitability of the method, the results are assessed by solving two examples taken from the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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