This paper introduces modeling and its modal analysis procedure for exact and closed form solution of in-plane vibrations of general Timoshenko frame structures using exact dynamic element method(EDEM). The derivation procedure of the exact system dynamic matrices for Timoshenko beam frames is described. A new modal analysis procedure is also proposed since the conventional modal analysis schemes are not adequate for the proposed, exact system dynamic matrix. The proposed method provides exact modal parameters as well as all kinds of closed form solutions for general frame structures. Two numerical examples are presented for validating and illustrating the proposed method. The numerical study proves that the proposed method is useful for dynamic analysis of frame structures.
This paper presents a non-linear analysis procedure for plane frame structures by finite element formulation with assumptions of Timoshenko beam theory. Finite element displacement method based on Lagrangian formulation is used and two-noded and isoparametric line element is adopted to represent finite element model. The layered approach is used for the elasto-plastic analysis of the plane frame structures with rectangular and I cross sections. A load incremental method combined with the tangent stiffness and the initial stiffness methods for each load increment is used for the solution of non-linear equations. Numerical examples are presented to investigate the behavior and the accuracy of the elasto-plastic non-linear application and the results of this study are compared with other solutions using the concept of plastic hinge.
This paper proposes a novel frame element on Winkler-Pasternak foundation for analysis of a non-ductile reinforced concrete (RC) member resting on foundation. These structural members represent flexural-shear critical members, which are commonly found in existing buildings designed and constructed with the old seismic design standards (inadequately detailed transverse reinforcement). As a result, these structures always experience shear failure or flexure-shear failure under seismic loading. To predict the characteristics of these non-ductile structures, efficient numerical models are required. Therefore, the novel frame element on Winkler-Pasternak foundation with inclusion of the shear-flexure interaction effect is developed in this study. The proposed model is derived within the framework of a displacement-based formulation and fiber section model under Timoshenko beam theory. Uniaxial nonlinear material constitutive models are employed to represent the characteristics of non-ductile RC frame and the underlying foundation. The shear-flexure interaction effect is expressed within the shear constitutive model based on the UCSD shear-strength model as demonstrated in this paper. From several features of the presented model, the proposed model is simple but able to capture several salient characteristics of the non-ductile RC frame resting on foundation, such as failure behavior, soil-structure interaction, and shear-flexure interaction. This confirms through two numerical simulations.
To improve the modeling accuracy for the finite element method, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for a Timoshenko beam element are derived and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. The exact interpolation functions are used to gain more accurate mode shape functions for the finite element method. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design problems. A Timoshenko frame with tapered sections is tested to demonstrate the design procedure with the proposed method.
This paper presents a mixed formulation frame element with the assumptions of the Timoshenko shear beam theory for displacement field and that accounts for interaction between shear and normal stress at material level. Nonlinear response of the element is obtained by integration of section response, which in turn is obtained by integration of material response. Satisfaction of transverse equilibrium equations at section includes the interaction between concrete and transverse reinforcing steel. A 3d plastic damage model is implemented to describe the hysteretic behavior of concrete. Comparisons with available experimental data on RC structural walls confirm the accuracy of proposed method.
Hajdo, Emina;Mejia-Nava, Rosa Adela;Imamovic, Ismar;Ibrahimbegovic, Adnan
Coupled systems mechanics
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제10권1호
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pp.79-102
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2021
In this paper we deal with instability problems of structures under nonconservative loading. It is shown that such class of problems should be analyzed in dynamics framework. Next to analytic solutions, provided for several simple problems, we show how to obtain the numerical solutions to more complex problems in efficient manner by using the finite element method. In particular, the numerical solution is obtained by using a modified Euler-Bernoulli beam finite element that includes the von Karman (virtual) strain in order to capture linearized instabilities (or Euler buckling). We next generalize the numerical solution to instability problems that include shear deformation by using the Timoshenko beam finite element. The proposed numerical beam models are validated against the corresponding analytic solutions.
Timoshenko의 전통적인 보 이론에 근거한 유한 요소의 전단 잠김 현상을 해결하기 위하여 가정 변형도법을 적용한 7자유도 공간 박벽 뼈대요소를 개발하였다. 2개의 노드를 갖는 직선 보요소에서 한 요소내의 변형도가 일정하다고 가정하여 형상함수를 유도하고 이를 바탕으로 가상일의 원리에 따라 강성행렬을 구성하였다. Corotational 기하 비선형 해석법을 이용하여 불평형 하중을 산정하였으며 부재 길이의 비선형 효과를 반영하기 위하여 bowing effect를 정밀하게 고려하였다. 일축 비대칭 단면을 갖는 곡선 외팔보와 이축 비대칭 단면을 갖는 직선 외팔보에 대하여 횡-비틀림 좌굴에 의한 안정 해석과 후좌굴 해석을 수행한 결과 ABAQUS 쉘요소와 좋은 일치를 보여 주었다.
The pointwise equilibrium polynomial (PEP) element considering local second-order effect has been widely used in direct analysis of many practical engineering structures. However, it was derived according to Euler-Bernoulli beam theory and therefore it cannot consider shear deformation, which may lead to inaccurate prediction for deep beams. In this paper, a novel beam-column element based on Timoshenko beam theory is proposed to overcome the drawback of PEP element. A fifth-order polynomial is adopted for the lateral deflection of the proposed element, while a quadric shear strain field based on equilibrium equation is assumed for transverse shear deformation. Further, an additional quadric function is adopted in this new element to account for member initial geometrical imperfection. In conjunction with a reliable and effective three-dimensional (3D) co-rotational technique, the proposed element can consider both member initial imperfection and transverse shear deformation for second-order direct analysis of frame structures. Some benchmark problems are provided to demonstrate the accuracy and high performance of the proposed element. The significant adverse influence on structural behaviors due to shear deformation and initial imperfection is also discussed.
Hosseini-Tabatabaei, Mahmoud-Reza;Rezaiee-Pajand, Mohmmad;Mollaeinia, Mahmoud R.
Structural Engineering and Mechanics
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제74권2호
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pp.189-199
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2020
Researchers have elaborated several accurate methods to calculate member-end rotations or moments, directly, for bridge-type structures. Recently, the concept of rotation and moment propagation (RMP) has been presented considering bending flexibility, only. Through which, in spite of moment distribution method, all joints are free resulting in rotation and moment emit throughout the structure similar to wave motion. This paper proposes a new set of closed-form equations to calculate member-end rotation or moment, directly, comprising both shear and bending flexibility. Furthermore, the authors program the algorithm of Timoshenko beam theory cooperated with the finite element. Several numerical examples, conducted on the procedures, show that the method is superior in not only the dominant algorithm but also the preciseness of results.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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