In this article, we present torsion-bending analysis of a composite FGM beam with an open section, according to the advanced and refined theory of 1D / 3D beams based on the 3D Saint-Venant's solution and taking into account the edge effects. The (initially one-dimensional) model contains a set of three-dimensional (3D) displacement modes of the cross section, reflecting its 3D mechanical behaviour. The modes are taken into account depending on the mechanical characteristics and the geometrical form of the cross-section of the composite FGM beam. The model considered is implemented on the CSB (Cross-Section and Beam Analysis) software package. It is based on the RBT/SV theory (Refined Beam Theory on Saint-Venant principle) of FGM beams. The mechanical and physical characteristics of the FGM beam continuously vary, depending on a power-law distribution, across the thickness of the beam. We compare the numerical results obtained by the three-beam theories, namely: The Classical Beam Theory of Saint-Venant (Classical Beam Theory CBT), the theory of refined beams (Refined Beam Theory RBT), and the theory of refined beams, using the higher (high) modes of distortion of the cross-section (Refined Beam Theory using distorted modes RBTd). The results obtained confirm a clear difference between those obtained by the three models at the level of the supports. Further from the support, the results of RBT and RBTd are of the same order, whereas those of CBT remains far from those of higher-order theories. The 3D stresses, strains and displacements, obtained by the present study, reflect the 3D behaviour of FGM beams well, despite the initially 1D nature of the problem. A validation example also shows a very good agreement of the proposed models with other models (classical or higher-order beam theory) and Carrera Unified Formulation 1D-beam model with Lagrange Expansion functions (CUF-LE).
Hussain, Muzamal;Naeem, Muhammad Nawaz;Khan, Muhammad Shabaz;Tounsi, Abdelouahed
Computers and Concrete
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제25권5호
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pp.411-425
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2020
In this paper, the shell material has been taken as functionally graded material and their material quantity is located by the exponential volume fraction law. Moreover, the impact of ring supports around the shell circumference has been examined for their various positions along the shell axial length. These rings support restraints the radial displacement in the transverse direction. While the axial modal deformation functions have been estimated by characteristic beam functions and nature of materials used for construction of cylindrical shells. The fundamental natural frequency of cylindrical shell of parameter versus ratios of length- and height-to-radius for a wide range has been reported and investigated through the study. In addition, by increasing height-to-radius ratio resulting frequencies also increase and frequencies decrease on ratio of length-to-radius. Though the trends of frequency values of both ratios are converse to each other with three different boundary conditions. Also it is examined the position of ring supports with length-to radius ratio, height-to-radius ratio and varying the exponent of volume fraction. MATLAB software package has been utilized for extracting shell frequency spectra. The obtained results are confirmed by comparing with available literature.
In this paper, an analytical approach is proposed for determining vibration characteristics of cracked non-uniform continuous Timoshenko beam carrying an arbitrary number of spring-mass systems. This method is based on the Timoshenko beam theory, transfer matrix method and numerical assembly method to obtain natural frequencies and mode shapes. Firstly, the beam is considered to be divided into several segments by spring-mass systems and support points, and four undetermined coefficients of vibration modal function are contained in each sub-segment. The undetermined coefficient matrices at spring-mass systems and pinned supports are obtained by using equilibrium and continuity conditions. Then, the overall matrix of undetermined coefficients for the whole vibration system is obtained by the numerical assembly technique. The natural frequencies and mode shapes of a cracked non-uniform continuous Timoshenko beam carrying an arbitrary number of spring-mass systems are obtained from the overall matrix combined with half-interval method and Runge-Kutta method. Finally, two numerical examples are used to verify the validity and reliability of this method, and the effects of cracks on the transverse vibration mode shapes and the rotational mode shapes are compared. The influences of the crack location, depth, position of spring-mass system and other parameters on natural frequencies of non-uniform continuous Timoshenko beam are discussed.
Many vibration-based global damage detection methods attempt to extract modal parameters from vibration signals as the main structural features to detect damage. The local flexibility method is one promising method that requires only the first few fundamental modes to detect not only the location but also the extent of damage. Generally, the mode shapes in the lateral degree of freedom are extracted from lateral vibration signals and then used to detect damage for a beam structure. In this study, a new approach which employs the mode shapes in the rotary degree of freedom obtained from the macro-strain vibration signals to detect damage of a beam structure is proposed. In order to facilitate the application of mode shapes in the rotary degree of freedom for beam structures, the local flexibility method is modified and utilized. The proposed rotary approach is verified by numerical and experimental studies of simply supported beams. The results illustrate potential feasibility of the proposed new idea. Compared to the method that uses lateral measurements, the proposed rotary approach seems more robust to noise in the numerical cases considered. The sensor configuration could also be more flexible and customized for a beam structure. Primarily, the proposed approach seems more sensitive to damage when the damage is close to the supports of simply supported beams.
This paper shows the test results of continuous reinforced concrete beams with external post-tensioning rods. Six three-span beams were prepared and tested to fail. Three beams were designed to have flexure-dominating behavior and the others to have shear-critical behavior. In each group, one beam without external post-tensioning rods was designated as a control beam and two beams had the external post-tensioning rods of 18 mm or 22 mm diameter. External post-tensioning rods were installed within an interior span of 6000 mm. They show V-shaped configuration because two anchorages were located at the top of interior supports and a saddle pin at mid-span was installed at the bottom of the beam. Test results show that the load and shear capacities of strengthened beams were increased when compared with the control beam. Additionally, the measured shear strength was compared with the strength predicted by ACI 318-11 code equations. The detailed ACI 318-11 equation predicted the measured shear strength and failure location of the continuous beam reasonably well.
Multi-span beams carrying multiple point masses are widely used in engineering applications, but the literature for free vibration analysis of such structural systems is much less than that of single-span beams. The complexity of analytical expressions should be one of the main reasons for the last phenomenon. The purpose of this paper is to utilize the numerical assembly method (NAM) to determine the exact natural frequencies and mode shapes of a multi-span uniform beam carrying multiple point masses. First, the coefficient matrices for an intermediate pinned support, an intermediate point mass, left-end support and right-end support of a uniform beam are derived. Next, the overall coefficient matrix for the whole structural system is obtained using the numerical assembly technique of the finite element method. Finally, the natural frequencies and the associated mode shapes of the vibrating system are determined by equating the determinant of the last overall coefficient matrix to zero and substituting the corresponding values of integration constants into the related eigenfunctions respectively. The effects of in-span pinned supports and point masses on the free vibration characteristics of the beam are also studied.
Gimena, Faustino N.;Gonzaga, Pedro;Valdenebro, Jose V.;Goni, Mikel;Reyes-Rubiano, Lorena S.
Structural Engineering and Mechanics
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제76권3호
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pp.395-412
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2020
In this article, the values of internal force and deformation of a curved beam under any action with the firm or elastic supports are determined by using structural matrices. The article presents the general differential formulation of a curved beam in global coordinates, which is solved in an orderly manner using simple integrals, thus obtaining the transfer matrix expression. The matrix expression of rigidity is obtained through reordering operations on the transfer notation. The support conditions, firm or elastic, provide twelve equations. The objective of this article is the construction of the algebraic system of order twenty-four, twelve transfer equations and twelve support equations, which relates the values of internal force and deformation associated with the two ends of the directrix of the curved beam. This final algebraic system, expressed in matrix form, is divided into two subsystems: twelve algebraic equations of internal force and twelve algebraic equations of deformation. The internal force and deformation values for any point in the curved beam directrix are determined from these values in the initial position. The five examples presented show how to apply the matrix procedures developed in this article, whether they are curved beams with the firm or elastic support.
Wei Zhang;Seonhoon Kim;Deuckhang Lee;Dichuan Zhang;Jong Kim
Computers and Concrete
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제32권3호
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pp.339-349
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2023
Fast-built construction is a key feature for successful applications of precast concrete (PC) moment frame system in recent construction practices. To this end, by introducing some unique splicing details in precast connections, especially between PC columns including panel zones, use of temporary supports and bracings can be minimized based on their self-sustaining nature. In addition, precast wide beams are commonly adopted for better economic feasibility. In this study, three self-sustaining precast concrete (PC) wide beam-column connection specimens were fabricated and tested under reversed cyclic loadings, and their seismic performances were quantitatively evaluated in terms of strength, ductility, failure modes, energy dissipation and stiffness degradation. Test results were compared with ASCE 41-17 nonlinear modeling curves and its corresponding acceptance criteria. On this basis, an improved macro modeling method was explored for a more accurate simulation. It appeared that all the test specimens fully satisfy the acceptance criteria, but the implicit joint model recommended in ASCE 41-17 tends to underestimate the joint shear stiffness of PC wide beam-column connection. While, the explicit joint model along with concentrated plastic hinge modeling technique is able to present better accuracy in simulating the cyclic responses of PC wide beam-column connections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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