This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
Journal of Fisheries and Marine Sciences Education
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v.24
no.5
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pp.699-711
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2012
An undergraduate course named computational structural analysis becomes more significant in recent years because of its important role in industries and the recent innovation in computer technology. Typically, the course consists of introduction to finite element method, utilization of general purpose finite element software, and examples focusing on static and linear analyses on various structural members such as a beam, truss, frame, arch, and cable. However, in addition to the static and linear analyses, current industries ask graduates to acquire basic knowledge on structural dynamics and nonlinear analysis, which are not listed in the conventional syllabus of the computational structural analysis. Therefore, this study develops geometrically nonlinear examples, which can help students to easily capture the fundamental nonlinear theory, software manipulation, and problem solving skills. For the purpose, five different examples are found, developed for the analyses of cables and cable nets, which naturally have strong geometrical non-linearity. In the paper, these examples are presented, discussed, and finally compared for a better subject development.
Kim Tae-Hoon;Choi Jung-Ho;Kim Woon-Hak;Shin Hyun Mock
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.17
no.4
s.88
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pp.645-654
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2005
This paper presents a nonlinear finite element procedure for the analysis of reinforced and prestressed concrete shells using the four-node quadrilateral flat shell element with drilling rotational stiffness. A layered approach is used to discretize, through the thickness, the behavior of concrete, reinforcing bars and tendons. Using the smeared-crack method, cracked concrete is treated as an orthotropic nonlinear material. The steel reinforcement and tendon are assumed to be in a uni-axial stress state and to be smeared in a layer. The constitutive models, which cover the loading, unloading, and reloading paths, and the developed finite element procedure predicts with reasonable accuracy the behavior of reinforced and prestressed concrete shells subjected to different types of loading. The proposed numerical method fur nonlinear analysis of reinforced and prestressed concrete shells is verified by comparison with reliable experimental results.
Three 3D nonlinear finite-element models are developed to study the behavior of concrete beams and plates with and without external reinforcement by fibre-reinforced plastic (FRP). All three models are formulated based upon the 3D theory of elasticity. The stress model is modified from the element developed by Ramtekkar, et al. (2002) to incorporate material nonlinearity in the formulation. Both transverse stress and displacement components are used as nodal degrees-of-freedom to ensure the continuity of both stress and displacement components between the elements. The displacement model uses only displacement components as nodal degrees-of-freedom. The transition model has both stress and displacement components as nodal degrees-of-freedom on one surface, and only displacement components as nodal degrees-of-freedom on the opposite surface. The transition model serves as a connector between the stress and the displacement models. The developed models are validated by comparing the results of the analyses with an existing experimental result. Parametric studies of the effects of the externally reinforced FRP on the load capacity of reinforced concrete (RC) beams and concrete plates are performed to demonstrate the practicality and the efficiency of the proposed models.
The conventional design of prestressed concrete box girder bridges has been based on the linear elastic analyses using simplified geometric models. To overcome the restriction involved in the simplifications, a macro element for the rational analysis of prestressed concrete box girder bridges with variable cross sections is incorporated in the present analysis. Through the adoption of nonlinear material models, the behaviour of prestressed box bridges up to ultimate loading stage can be examined. The time dependent material models included in the present macro element code enable to predict the long term behaviour of prestressed concrete box girder bridges. The proposed macro element code with the nonlinear material models and time dependent routines can be efficiently used for the realistic analysis of prestressed concrete box girder bridges with arbitrary shapes.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.8
no.3
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pp.1-10
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1988
A higher order plate bending finite element using cubic in-plane displacement profiles is proposed for geometrically nonlinear analysis of thin and thick plates. The higher order plate bending element has been derived from the three dimensional plate-like continuum by discretization of the equations of motion by Galerkin weighted residual method, together with enforcing higher order plate assumptions. Total Lagrangian formulation has been used for geometrically nonlinear analysis of plates and consistent linearization by Newton-Raphson method has been performed to solve the nonlinear equations. The element characteristics have been computed by, selective reduced integration technique using Gauss quadrature to avoid shear locking phenomenon in case of extremely thin plates. Several numerical examples were solved with FEAP macro program to demonstrate versatility and accuracy of the present higher order plate bending element.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.6
no.3
s.22
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pp.29-35
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2006
Fiber element method in earthquake response analysis of bridges is used to represents a realistic flexural deformation according to nonlinear behavior of beam-column section. Nonlinear pseudo-static analysis of two column bent using fiber element is accomplished and failure mechanism of the plastic hinge region is studied. Load-displacement curve obtained by nonlinear pseudo-static analysis can be applicable to earthquake response analysis by capacity spectrum method. The nonlinear time history analysis of a full bridge model using fiber element experienced by the ground motion corresponding to the target response spectrum is accomplished. The result of time history analysis is similar to that of capacity spectrum method.
Ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is a composite building material with high ductility, fatigue resistance, fracture toughness, durability, and energy absorption capacity. The aim of this study is to develop a nonlinear finite element model that can simulate the response of the UHPFRC beam exposed to impact loads. A nonlinear finite element model was developed in ABAQUS to simulate the real response of UHPFRC beams. The numerical results showed that the model was highly successful to capture the experimental results of selected beams from the literature. A parametric study was carried out to investigate the effects of reinforcement ratio and impact velocity on the response of the UHPFRC beam in terms of midpoint displacement, impact load value, and residual load-carrying capacity. In the parametric study, the nonlinear analysis was performed in two steps for 12 different finite element models. In the first step, dynamic analysis was performed to monitor the response of the UHPFRC beam under impact loads. In the second step, static analysis was conducted to determine the residual load-carrying capacity of the beams. The parametric study has shown that the reinforcement ratio and the impact velocity affect maximum and residual displacement value substantially.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.4A
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pp.577-585
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2006
In this research, nonlinear Timoshenko beam element that is able to capture nonlinear shear deformation is developed. The proposed model shows more reasonable prediction than Bernoulli beam theory in short columns or strong shear column due to the consideration of shear deformation. The cross-section is modeled as fiber approach. Since the model is based on the fiber approach for section discretization, the plastic progress of the section can be traced and the coupling effect of the axial and flexural response. The developed element is implemented into the finite element program to analysis general reinforced concrete structures. As parametric study, reinforced concrete columns are analyzed and compared with experimental results, analyzed the property of behavior for reinforced concrete columns.
An advanced numerical method is proposed in this paper for the second-order inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges using rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) columns under earthquake loadings for the first time. The proposed method can exactly predict the nonlinear response of the bridges by using only one element per member in simulating the structural model. This comes from considering both the geometric and material nonlinearities in a fiber beam-column element and a catenary cable element. In the fiber beam-column element, the geometric nonlinearities are captured by applying the stability functions, whereas the material nonlinearities are evaluated by tracing the uniaxial cyclic stress-strain curves of each fiber on the cross-sections, which are located at the integration points along the member length. A computer program was developed based on Newmark's average acceleration algorithm to solve the nonlinear equations of motion. The accuracy and computational efficiency of the proposed program were verified by comparing the predicted results with the experimental results, and the results obtained from the commercial software SAP2000 and ABAQUS. The proposed program is promising as a useful tool for practical designs for the nonlinear inelastic dynamic analysis of cable-stayed bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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