In this paper, we present a numerical model for fluid-structure interaction between structure built of porous media and acoustic fluid, which provides both pore pressure inside porous media and hydrodynamic pressures and hydrodynamic forces exerted on the upstream face of the structure in an unified manner and simplifies fluid-structure interaction problems. The first original feature of the proposed model concerns the structure built of saturated porous medium whose response is obtained with coupled discrete beam lattice model, which is based on Voronoi cell representation with cohesive links as linear elastic Timoshenko beam finite elements. The motion of the pore fluid is governed by Darcy's law, and the coupling between the solid phase and the pore fluid is introduced in the model through Biot's porous media theory. The pore pressure field is discretized with CST (Constant Strain Triangle) finite elements, which coincide with Delaunay triangles. By exploiting Hammer quadrature rule for numerical integration on CST elements, and duality property between Voronoi diagram and Delaunay triangulation, the numerical implementation of the coupling results with an additional pore pressure degree of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The second original point of the model concerns the motion of the outside fluid which is modeled with mixed displacement/pressure based formulation. The chosen finite element representations of the structure response and the outside fluid motion ensures for the structure and fluid finite elements to be connected directly at the common nodes at the fluid-structure interface, because they share both the displacement and the pressure degrees of freedom. Numerical simulations presented in this paper show an excellent agreement between the numerically obtained results and the analytical solutions.
A dynamic simulation and test of frame with thin walled closed section beams considering warping conditions have been performed. When a beam is subjected under torsional moment, the cross section will deform an warping as well as twist. For some thin-walled sections warping will be large, and accompanying warping restraint will induce axial and shear stresses and reduce the twist of beam which stiffens the beam in torsion. This paper presents that an warping restraint factor in finite element model effects the behavior of beam deformation and dynamic mode shape. The computer modelling of frame is discussed in linear beam element model and linear thin shell element model, also presents a correlation between computer predicted and actual experimental results for static deflection, natural frequencies and mode shapes of frame.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.7
no.5
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pp.37-46
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2007
This is the second of two companion papers that describe non-prismatic beam element for nonlinear seismic analysis of steel moment frames. Described in a companion paper is the formulation of a non-prismatic beam element to model the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have reduced beam sections(RBS). This study describes the determination of yield surfaces, stiffness parameters, and hardening (or softening) rule parameters for RBS beam element. Analytical results of the RBS beam element show good correlation with test data and Finite Element Method(FEM) results.
Utilizing composite members in structures has been considered by many researchers in the past few decades. Using FRP can be very effective owing to its excessively high-tensile strength, which compensate concrete weak performance in tension. In this research, the studied composite beam includes a GFRP semi-confined trapezoidal section covered by GFRP and concrete layers. To assess the bearing capacity, a finite-element model of a composite beam subjected to displacement control loading has been developed and the results were validated using experimental results found throughout the literature. Several parameters affecting the bending performance and behavior of the semi-confined beam have been investigated in this study. Some of these parameters included the thickness of GFRP trapezoidal section members, concrete layer thickness, GFRP layer thickness and the confinement degree of the beam. The results revealed that the beam confinement had the highest effect on the bearing capacity due to prevention of separation of concrete from GFRP which causes the failure of the beam. From the results obtained, an optimal model of primary beam section has been introduced, which provides a higher bearing capacity with the same volume of materials used in the original beam section.
Vieira, Ricardo F.;Lisi, Diego;Virtuoso, Francisco B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.52
no.1
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pp.173-203
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2014
The cross-section warping due to the passage of high-speed trains can be a relevant issue to consider in the dynamic analysis of bridges due to (i) the usual layout of railway systems, resulting in eccentric moving loads; and (ii) the use of cross-sections prone to warping deformations. A thin-walled beam formulation for the dynamic analysis of bridges including the cross section warping is presented in this paper. Towards a numerical implementation of the beam formulation, a finite element with seven degrees of freedom is proposed. In order to easily consider the compatibility between elements, and since the coupling between flexural and torsional effects occurs in non-symmetric cross-sections due to dynamic effects, a single axis is considered for the element. The coupled flexural-torsional free vibration of thin-walled beams is analysed through the presented beam model, comparing the results with analytical solutions presented in the literature. The dynamic analysis due to an eccentric moving load, which results in a coupled flexural-torsional vibration, is considered in the literature by analytical solutions, being therefore of a limited applicability in practice engineering. In this paper, the dynamic response due to an eccentric moving load is obtained from the proposed finite element beam model that includes warping by a modal analysis.
Strengthening of reinforced concrete (RC) members against shear that is one of the failure modes especially avoided by using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is widely used technique, which is studied at many experimental studies. However, conducting experimental studies are required more financial resources and laboratory facilities. In addition, along with financial resources, more time is needed in order to carry out comprehensive experimental studies. For these reasons, a verified finite element model that is tested with previous experimental studies can be used for reaching generalized results and investigating parameters that are not studied. For this purpose, previous experimental study results are used and "T" cross-sectioned RC beams strengthened with CFRP strips with insufficient shear strength are modeled by using ANSYS software. First, finite elements modeling of the previously tested RC beams are done, and then the computed results are compared with the experimental ones whether they are matched or not. As a result, the finite element model is verified. Later, analyses of the cases without any test results are done by using the verified model. Optimum CFRP strip spacing is determined with this verified finite element model, and compared with the experimental findings.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.2
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pp.141-149
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2002
Although the finite element method has become an indispensible tool for the dynamic analysis of structures, difficulty remains to quantify the errors associated with discretization. To improve the modeling accuracy, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for the Timoshenko beam element are derived using the exact dynamic element modeling (EDEM) and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. A combined use of finite element method and exact interpolation functions is presented to gain more accurate mode shape functions. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design/reanalysis problems. Timoshenko flames with tapered sections are tested to demonstrate the design procedure with the proposed method. The numerical study shows that the combined use of finite element model and exact dynamic element model is very useful.
A finite element analysis (FEA) model is established to investigate the concrete-encased concrete-filled steel tubular (CFST) column to reinforced concrete (RC) beam joints under cyclic loading. The feasibility of the FEA model is verified by a set of test results, consisting of the failure modes, the exposed view of connections, the crack distributions and development, and the hysteretic relationships. The full-range analysis is conducted to investigate the stress and strain development process in the composite joint by using this FEA model. The internal force distributions of different components, as well as the deformation distributions, are analyzed under different failure modes. The proposed connections are investigated under dimensional and material parameters, and the proper constructional details of the connections are recommended. Parameters of the beam-column joints, including material strength, confinement factor, reinforcement ratio, diameter of steel tube to sectional width ratio, beam to column linear bending stiffness ratio and beam shear span ratio are evaluated. Furthermore, the key parameters affecting the failure modes and the corresponding parameters ranges are proposed in this paper.
When strong seismic forces act on reinforced concrete structures, their beam-column connections are very susceptible to damage during the earthquake event. The aim of this numerical work is to evaluate the influence of the internal steel reinforcement array on the nonlinear response of a RC beam-column connection when it is subjected to strong cyclic loading -as a seismic load. For this, two specimens (extracted from an experimental test of 12 RC beam-column connections reported in literature) were modeled in the Finite Element code FEAP considering different stirrup's arrays. In order to evaluate the nonlinear response of the RC beam-column connection, the 2D model takes into account the nonlinear thermodynamic behavior of each component: for concrete, a damage model is used; for steel reinforcement, it is adopted a classical plasticity model; in the case of the steel-concrete bonding, this one is considered perfect without degradation. At the end, we show a comparison between the experimental test's responses and the numerical results, which includes the distribution of shear stresses and damage inside the concrete core of the beam-column connection; in the other hand, the effects on the connection of a low and high state of confinement are analyzed for all cases.
Halahla, Abdulsamee M.;Tahnat, Yazan B. Abu;Dwaikat, Monther B.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.3
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pp.231-243
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2022
Beam-column joints (BCJs) are recognized among the most crucial zones in reinforced concrete structures, as they are the critical elements subjected to a complex state of forces during a severe earthquake. Under such conditions, BCJs exhibit behaviors with impacts that extend to the whole structure and significantly influence its ductility and capability of dissipating energy. The focus of this paper is to investigate the effect of undamaged transverse beam (secondary beams) on the ductility of concrete BCJs reinforced with conventional steel and shape memory alloys bars using pushover analysis at tip of beam under different axial load levels at the column using a nonlinear finite element model in ABAQUS environment. A numerical model of a BCJ was constructed and the analysis outcomes were verified by comparing them to those obtained from previous experiments found in the literature. The comparison evidenced the capability of the calibrated model to predict the load capacity response of the joint. Results proved the ability of undamaged secondary beams to provide a noticeable improvement to the ductility of reinforced concrete joints, with a very negligible loss in load capacity. However, the effect of secondary beams can become less significant if the beams are damaged due to seismic effects. In addition, the axial load was found to significantly enhance the performance of BCJs, where the increase in axial load magnified the capacity of the joint. However, higher values of axial load resulted in greater initial stiffness of the BCJ.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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