In this study, a method has been proposed for the static and dynamic nonlinear analysis of multi-storey buildings, which takes into account the contribution of axial deformations in vertical load-bearing elements, which are especially important in tall and narrow structures. Shear deformations on the shear walls were also taken into account in the study. The presented method takes into account the effects that are not considered in the fishbone and flexural-shear beam models developed in the literature. In the Fishbone model, only frame systems are modeled. In the flexural shear beam model developed for shear wall systems, shear deformations and axial deformations in the walls are neglected. Unlike the literature, with the model proposed in this study, both shear deformations in the walls and axial deformations in the columns and walls are taken into account. In the proposed model, multi-storey building is represented as a sandwich beam consisting of Timoshenko beams pieced together with a double-hinged beam. At each storey, the total moment capacities of the frame beams and the coupled beams in the coupled shear walls are represented as the equivalent shear capacity. On the other hand, The sums of individual columns and walls moment at the relevant floor level are represented as equivalent moment capacity at that floor level. At the end of the study, examples were solved to show the suitability of the proposed method in this study. The SAP2000 program is employed in analyses. In a conclusion, it is observed that among the solved examples, the proposed sandwich beam model gives good results. As can be seen from these results, it is seen that the presented method, especially in terms of base shear force, gives very close results to the detailed finite element method.
Park, Jong-Heuk;Hong, Seong-Wook;Lee, Chul;Kim, Jong-Wook
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.200-205
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1998
Although discretization methods such as the transfer matrix method (TMM) and the finite element method (FEM) have played an important role in the design or analysis of rotor-bearing systems, continuous system modeling and analysis are often desirable especially for sensitivity analysis or design. The present paper proposes a comprehensive modeling procedure to obtain exact solution of general rotor-bearing systems. The proposed method considers a Timoshenko beam model and makes use of complex coordinate in the formulation. The proposed method provides exact eigensolutions and frequency response functions (FRFS) of general multi-stepped rotor-bearing systems. The first numerical example compares the proposed method with FEM. The numerical study proves that the proposed method is very efficient and useful for the analysis of rotor-bearing systems.
In this paper, harmonic responses of infilled multi-storey frames are obtained by using a single variable shear deformation theory (SVSDT) and dynamic stiffness formulations. Two different planar frame models are used which are fully infilled and soft storey. The infill walls are modeled by using equivalent diagonal strut approach. Firstly, free vibration analyses of bare frame and infilled frames are performed. The calculated natural frequencies are tabulated with finite element solution results. Then, harmonic response curves (HRCs) of frame models are plotted for different infill wall thickness values. All of the results are presented comparatively with Timoshenko beam theory results to reveal the effectiveness of SVSDT which considers the parabolic shear stress distribution along the frame member cross-sections.
Design sensitivity analysis for nonlinear structural problems has been emerged in the last decade as a glowing area of engineering research. As a result, theoretical formulations and computational algorithms have already developed for design sensitivity of nonlinear structural problems. There is not enough research for practical nonlinear problems using multi-element, due to difficulties of implementation into FEA. Therefore, nonlinear response analysis for stiffened shell which consists of Mindlin plate and Timoshenko beam, was considered. Specially, it presents the backward-Euler method which is adopted to describe an exact yield state in the stress computation procedure. Then, design sensitivity analysis of nonlinear structures, particularly elasto-perfectly-plastic structure, is developed using direct differentiation method. The accuracy of the developed sensitivity analysis was compared with the central finite difference method. Finally, on the basis of above results, design improvement for stiffened shell is suggested.
Consistent finite strain Plate constitutive relations are derived based on a hyperelastic formulation for an isotropic material. Plate equilibrium equations under finite strain are derived following a static kinematic approach. Three Euler angles and four shear angles, based on Timoshenko beam theory, represent the kinematics of the deformations in the plate cross section. The Green deformation tensor has been expressed in term of a deformation tensor associated with the deformation and stretches of an embedded plate element. Buckling formulation includes the in-plane axial deformation prior to buckling and transverse as well as in-plane shear deformations. Numerical results for a simply supported thick plate under uni-axial compression force are presented.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2000.06a
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pp.1933-1938
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2000
The partial differential equations for a coil spring derived from Timoshenko beam theory and Frenet formulae. Dynamic stiffness matrix of a coil spring composed of a circular wire is assembled by using dispersion relationship, waves and natural frequencies. Natural frequencies are obtained from maxima in the determinant of inverse of a dynamic stiffness matrix with appropriate boundary conditions. The results of the dynamic stiffness method are compared with those of transfer matrix method, finite element method and test.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.4
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pp.763-774
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2014
A simple and efficient vibration analysis procedure for stiffened panels with openings and arbitrary boundary conditions based on the assumed mode method is presented. Natural frequencies and modes are determined by solving an eigenvalue problem of a multi-degree-of-freedom system matrix equation derived by using Lagrange's equations of motion, where Mindlin theory is applied for plate and Timoshenko beam theory for stiffeners. The effect of stiffeners on vibration response is taken into account by adding their strain and kinetic energies to the corresponding plate energies whereas the strain and kinetic energies of openings are subtracted from the plate energies. Different stiffened panels with various opening shapes and dispositions for several combinations of boundary conditions are analyzed and the results show good agreement with those obtained by the finite element analysis. Hence, the proposed procedure is especially appropriate for use in the preliminary design stage of stiffened panels with openings.
An iteractive Kantorovich method is presented for the vibration analysis of rectangular orthotropic thick plates. Mindlin plate characteristic functions are derived in general forms using the Kantorovich method. Initially, Timoshenko beam functions consistent with the boundary conditions of the plate were used. Through numerical calculations of natural fairs of appropriate models, it has been confirmed that the method presented is superior to the Rayleigh-Ritz analysis or the finite element analysis in both accuracy and computational efficiency.
By using Frenet formulation and Timoshenko beam theory, the partial differential equations of motion are derived for a helical spring having a doubly symmetrical cross section subjected to the pre-load axially. These equations of motion are solved to give the dispersion relationship and dynamic stiffness matrix is assembled. Natural frequencies are obtained from the receptance of the system. The results of the dynamic stiffness method are compared with those of the transfer matrix method from published examples and finite element method.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.5
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pp.237-244
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2017
This study proposes a numerical model to explain the closely placed double modes in the vibration of a layered stone pagoda system. The friction surface between the stones is modelled as the Timoshenko finite element while each stone layer is modelled as a rigid body. It is assumed that the irregular asperity on the friction surface enables the stone to be excited. This results in the closely placed modes that are composed of natural modes and self-excited modes. To examine the validity of the proposed model, a set of modal testing and analysis for a layered stone pagoda mock-up model has been conducted and a set of closely placed double modes are extracted. Applying the extended sensitivity-based system identification technique, the various system parameters are identified so that the modal parameters of the proposed numerical model are the same with those of the experimental mock-up. For a horizontal impulse excitation, the simulated acceleration responses are compared with measurements.
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