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.
Shear tests are performed on four full-scale 12.5 m proto-type models, "least depth double tee," which are resulted from the optimization process. Domestic superimposed live load regulation, domestic material properties which is available to product. Korean building code requirements, construction environments and economy are considered as the main factors to establish the process. All of the specimens tested fully comply with the shear strength requirements as specified by ACI 318-95. The research has shown following results. 1) The development length requirement of ACI 318-95 does not seem a good predictor for the estimation of bond failure in a beam with the strands below the supports. 2) The load required for the first initial coner cracking in the dap end and first web shear cracking does not seem to have any relation with the dimension and shear strength of the section in the test beams. 3) The strand slip has a direct relationship with the web shear cracking. However, the coner cracking in the dap end does not give any help for the slip in anchorage. 4) Use of whole area for bearing steel at the bottom of dap end is desired for safe bearing pressure design in the precast prestressed double tee beams. 5) The deflection of beam influences directly on the amount of strand slip at the anchorage after initiation of it, and relationship between them are very linear.
Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
Analytical methods for assessment of the out-of-plane buckling of unbraced top chords of truss bridges may look obsolete while comparing them to finite element analysis. However they are, usually, superior when rapid assessment is necessary. Analytical methods consider the top chord as a bar on elastic supports provided by bracing (Holt, Timoshenko). Correct assessment of the support elasticity (stiffness) is crucial. In the case of truss bridge spans of traditional structural layout (cross-beams at the truss chord nodes only), the elasticity may be set based on the analysis of the, so called, U-frame stiffness. Here the analyses consider the U-frame itself (a pair of verticals and a cross-beam) or the U-frame with adjacent diagonals or the pair of diagonals (in the absence of verticals) and the members of the bottom chord in the adjacent panels. For all the cases, the stability analysis of the chord as a bar in compression is necessary. Unfortunately, the method cannot be applied to contemporary truss bridges without verticals, that usually have independent cross-beam decks (the cross-beams attached to truss chords at their nodes and between them). This is the motivation for the analysis resulting in the method of setting the stiffness of the equivalent U-frame for the aforementioned truss bridges. Truss girders of both, gussetless and gusseted, joints are taken into account.
In building construction, openings of the story-height deep beams are usually required for accessibility and service lines such as air conditioning ducts, drain pipes and electric units. It is known that the main parameters affecting the load bearing capacity of deep beams with web openings are size, shape, location and reinforcements of openings. However, there have been no pertinent theories and national design codes for predicting ultimate shear strength of reinforced concrete deep beams with web openings. In this study, the shear behavior of simply supported reinforced concrete deep beams with web openings subject to concentrated loads has been scrutinized experimentally. A total of 34 specimens, the geometry of openings, its reinforcements and shear span to depth ratio, being taken as the experimental variables, has been cast and tested in the laboratory. The effects of these structural parameters on the shear strength and crack initiation and propagation have been carefully checked and analyzed. From the tests, it has been observed that the failures of all specimens were due to shear mechanism and the ultimate strength of specimens varies according to the location of openings, by which the formation of compression struts between the loading points and supports are deterred. All of the test results of specimens have been compared with the formulas proposed by previous researchers. The results were closely coincident with the formulas given by Ray and Kong's equation except for some X series specimens having a larger dimension of openings beyond the geometric limits of proposed equations.
In this study, theoretical and experimental results are presented which were obtained during an investigation of the influence of the $P-{\Delta}$ effect that was caused by the simultaneous changing of the axial load P of the column and the lateral displacement ${\Delta}$ in the external beam-column joints. The increase or decrease of ${\Delta}$ was simultaneous with the increase or decrease of the axial compression load P and caused an additional influence on the aseismic mechanical properties of the joint. A total of 12 reinforced concrete exterior beam-column subassemblies were examined. A new model, which predicts the beam-column joint ultimate shear strength, was used in order to predict the seismic behaviour of beam-column joints subjected to earthquake-type loading plus variable axial load and $P-{\Delta}$ effect. Test data and analytical research demonstrated that axial load changes and $P-{\Delta}$ effect during an earthquake cause significant deterioration in the earthquake-resistance of these structural elements. It was demonstrated that inclined bars in the joint region were effective for reducing the unfavourable impact of the $P-{\Delta}$ effect and axial load changes in these structural elements.
In this study, optimal distribution of springs which supports a cantilever beam is investigated to minimize two objective functions defined. The optimal size and location of the springs are ascertained to minimize the tip deflection of the cantilever beam. Afterwards, the optimization problem of springs is set up to minimize the tip absolute acceleration of the beam. The Fourier Transform is applied on the equation of motion and the response of the structure is defined in terms of transfer functions. By using any structural mode, the proposed method is applied to find optimal stiffness and location of springs which supports a cantilever beam. The stiffness coefficients of springs are chosen as the design variables. There is an active constraint on the sum of the stiffness coefficients and there are passive constraints on the upper and lower bounds of the stiffness coefficients. Optimality criteria are derived by using the Lagrange Multipliers. Gradient information required for solution of the optimization problem is analytically derived. Optimal designs obtained are compared with the uniform design in terms of frequency responses and time response. Numerical results show that the proposed method is considerably effective to determine optimal stiffness coefficients and locations of the springs.
A method of calculating the natural frequency corresponding to the first mode of vibration of beams and tower structures, with irregular cross sections and with arbitrary boundary conditions was developed and reported by Kim, D. H. in 1974. In this paper, the result of application of this method to the three span continuous reinforced concrete bridge with elastic intermediate supports is presented. Such bridge represents either concrete or sandwich type three span bridge on polymeric supports for passive control or on actuators for active control. The concrete slab is considered as a special orthotropic plate. Any method may be used to obtain the deflection influence surfaces needed for this vibration analysis. Finite difference method is used for this purpose, in this paper, The influence of the modulus of the foundation and $D_{22}$, $D_{12}$, $D_{66}$ stiffnesses on the natural frequency is thoroughly studied.
In this study, the transverse vibrations of an axially moving flexible beams resting on multiple supports are investigated. The time-dependent velocity is assumed to vary harmonically about a constant mean velocity. Simple-simple, fixed-fixed, simple-simple-simple and fixed-simple-fixed boundary conditions are considered. The equation of motion becomes independent from geometry and material properties and boundary conditions, since equation is expressed in terms of dimensionless quantities. Then the equation is obtained by assuming small flexural rigidity. For this case, the fourth order spatial derivative multiplies a small parameter; the mathematical model converts to a boundary layer type of problem. Perturbation techniques (The Method of Multiple Scales and The Method of Matched Asymptotic Expansions) are applied to the equation of motion to obtain approximate analytical solutions. Outer expansion solution is obtained by using MMS (The Method of Multiple Scales) and it is observed that this solution does not satisfy the boundary conditions for moment and incline. In order to eliminate this problem, inner solutions are obtained by employing a second expansion near the both ends of the flexible beam. Then the outer and the inner expansion solutions are combined to obtain composite solution which approximately satisfying all the boundary conditions. Effects of axial speed and flexural rigidity on first and second natural frequency of system are investigated. And obtained results are compared with older studies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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