The focus of this study is on the problem of the design of structure of undetermined topology. This problem has been regarded as being the most challenging of structural optimization problems, because of the difficulty of allowing topology to change. Conventional approaches break down when element sizes approach to zero, due to stiffness matrix singularity. In this study, a novel nonlinear programming formulation of the topology problem is presented. Its main feature is the ability to account for topology variation through zero element sizes. Stiffness matrix singularity is avoided by embedding the equilibrium equations as equality constraints in the optimization problem. Although the formulation is general, two dimensional plane elasticity examples are presented. The design problem is to find minimum weight of a plane structure of fixed geometry but variable topology, subject to constraints on stress and displacement. Variables are thicknesses of finite elements, and are permitted to assume zero sizes. The examples demonstrate that the formulation is effective for finding at least a locally minimal weight.
This paper analyzed the effects related to the difference of the geometrical shape of the ground excavation by comparing the displacements of the earth retaining wall of the strut resulting from the change of the excavation breadth B and the excavation length L, adopting the three dimensional FDM analysis. It appeared that the displacement of the earth retaining wall of the strut increases in accordance with the increase of L/B and it decreases as it becomes nearer from the center to the comer where the temporary structural system forms, and the wale member is closured because of the effects of the confining effect by the closure of the earth retaining wall and the wale member. This paper proposed a formula in which the results of three dimensional FDM analysis which considers the shape of the excavation plane can be obtained from those of two dimentional FDM analysis which does not consider the shape of the excavation plane. And the results of the formula were compared with those of the site instrumentation analysis.
This paper presents a new block stiffness matrix for the analysis an orthogonal Cartesian coordinate system. The displacement fields are defined using the first order shear deformable beam theory. The longitudinal displacement can be expressed as the sum of the projected plane deformation of the cross-section due to Timoshenko's beam theory and axial warping deformation due to modified Vlasov's thin-waled beam theory. The derived element takes into account flexural shear deformation and torsional warping deformation. Three different types of beam elements, namely, the two-noded, three-noded, and four-noded beam elements, are developed. The quadratic and cubic elements are found to be very efficient for the flexural analysis of laminated composite beams. The versatility and accuracy of the new element are demonstrated by comparing the numerical results available in the literature.
Min, Byoung Cheol;Min, Dong Ju;Jung, Myung Rag;Kim, Moon Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.1A
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pp.9-18
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2011
Generally the connection of structural members is assumed as hinge, rigid and semi-rigid connections. The exact tangent stiffness matrix of a semi-rigid frame element is newly derived using the stability functions considering shear deformations. Also, linearized elastic- and geometric-stiffness matrices of shear deformable semi-rigid frame are newly proposed. For the exact stiffness matrix, an accurate displacement field is introduced by equilibrium equation for beam-column under the bending and the axial forces. Also, stability functions considering sway deformation and force-displacement relations with elastic rotational spring on ends are defined. In order to illustrate the accuracy of this study, various numerical examples are presented and compared with other researcher's results. Lastly, shear deformation and semi-rigid effects on buckling behaviors of structure are parametrically investigated.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.6
no.2
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pp.121-131
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1986
The stiffness matrix of circularly curved frame elements including the warping effects is formulated by the solutions of vlasov's differential equations, and the procedure for the elastic static analysis of curved girder systems by the displacement method is presented. The validity of this method has been demonstrated by comparing the analysis results with other solutions. And if the tangential lines of the two frame element axes connected at any nodal point coincide, the transformation to the global coordinate system can be omitted when we analyze the structures consisting of circularly curved elements. The theory introduced in this thesis can be applied with sufficient accuracy to the structures built up with horizontally circular curved frame elements which have closed or open cross sections and are symmetric to the axis perpendicular to the plane of the curvature, such as prestressed concrete box girder bridges.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.3
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pp.75-86
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1982
The degeneration of two classes of thick beam elements has been conducted, one (DB6) based on the conventional Timoshenko beam assumptions whereas the other (DB7) based on the assumed cubic axial displacement profile. While an adjustable shear correction factor is required for the DB 6 element to compensate for the unrealistic distribution of shear strain across the thickness, the DB 7 element assumes the more realistic quadratic profile of shear strain at the outset. With the plane-stress continuum solution as reference, solutions obtained by these two element models are compared with the analytical Timoshenko solution, the analytical thin beam solution and several available solutions of other existing beam elements. The result indicates that the performance of the higher order beam element DB 7 is consistently superior to any others. This is true for the whole range of aspect ratios of beam, in both static and free vibration analyses.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.1
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pp.105-117
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1994
A finite element procedure which can trace plastic collapse behavior of plane frame structures under small and large deformation is presented. The member is assumed to be prismatic and straight, and has the rectangular or I cross section. For the elasto-plastic analysis, the concept of plastic hinge is introduced and the incremental displacement method is applied. The limit state condition of the plastic hinge is considered under the combined condition of a bending moment and an axial force. Numerical examples are presented in order to demonstrate the validity and efficiency of the proposed procedure.
Up to now, Japan has more than 200 corrugated steel web composite beam bridges which are under construction and have been constructed, and China has more than 30 corrugated steel web composite beam bridges. The bridge type includes the simply supported beam, continuous beam, continuous rigid frame and cable stayed bridge etc. The section form has developed to the single box and multi-cell box girder from the original single box and single chamber. From the stress performance and cost saving, the span range of 50~150 m is the most competitive. At present, the design mostly adopts the computational analytical method combining the spatial bar system model, plane beam grillage model and solid model. However, the spatial bar system model is short of the refinement analysis on the space effect, such as the shear lag effect, effective distribution width problem, and eccentric load factor problem etc. Due to the similarity of the plane beam grillage method in the equivalence principle, it cannot accurately reflect the shearing stress distribution and local stress of the top and bottom plates of the box type composite beam. The solid model is very difficult to combine with the overall calculation. Moreover, the spatial grid model can achieve the refinement analysis, with the integrity of the analysis and the comprehensiveness of the stress checking calculation, and can make up the deficiency of the analytical method currently. Through the example verification of the solid model and spatial grid model, it can be seen that the calculation results for the stress and the displacement of two models are almost consistent, indicating the applicability and precision of the spatial grid model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.11
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pp.1183-1189
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2015
This study focuses on the design of the tapered joints of a wind power turbine. The main variables of the tapered joint are the transmitted torque, shaft diameter, contact area of the tapered ring, and tightening torque of the bolts, which applies a compressive pressure from the hub to the shaft. The stress distribution of the taper fit was calculated under axisymmetric plane strain conditions because of the small taper angle. The axial displacement of the clamp can be calculated from the radial elastic deformation and the taper angle. The stress field of each ring is obtained from the cylinder stress equation. To verify the accuracy of the calculation, finite element (FE) analysis was performed, and the results of the calculation and FE analysis were compared. The hoop stress of the tapered surface showed a discrepancy of approximately 10, but the trends of the stress distributions of each component and the relative movement obtained by FE analysis were in good agreement with the analytical calculation results.
The objective of this study is to investigate the characteristics of elastic and inelastic
bekavior of ductile momenting-resisting reinforced concrete frame subjected to reversed
lateral loading such as earthquake excitations. For this purpose, a 2-bay 2-story
reinforced concrete plane frame with seismic detail was designed and one 1/2.5-scale
subassemblage was manufactured according to the required similitude law. Then, the
reversed load test under the displacement control was performed statically to this
subassemblage. Finally, the results of this test were analysed regarding to (1) the
design load vs actual strength, (2) degradation in stiffness and strength. (3) failure
mode or energy dissipation. (4) local deformations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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