Structural boundary condition is very important as a part of a structural system because it determines the dynamic characteristics of the structure. It is often to experience that experimental measurements of structural dynamic characteristics are somewhat different from the analytical predictions in which idealized boundary conditions are usually assumed. However, real structural boundary conditions are not so ideal; not perfectly clamped, for instance. Thus this paper introduces a new method to determine the non-ideal structural boundary conditions in the frequency domain. In this method, structural boundary conditions are modeled by both extensional (vertical) and torsional elastic springs. The effective springs are then determined from experimental FRFs (frequency response functions) by using the spectral element method (SEM). For a cantilevered beam experiments are conducted to determine the real boundary conditions in terms of effective springs. Dynamic characteristics (analytically predicted) based on identified boundary conditions are found to be much closer to experimental measurements when compared with those based on ideal boundary conditions.
Temperature-induced responses, such as strains and displacements, are related to the boundary conditions. Therefore, it is required to determine the boundary conditions to establish a reliable bridge model for temperature-induced responses analysis. Particularly, bridge bearings usually present nonlinear behavior with an increase in load, and the nonlinear boundary conditions cause significant effect on temperature-induced responses. In this paper, the bridge nonlinear boundary conditions were simulated as bilinear translational or rotational springs, and the boundary parameters of the bilinear springs were identified based on the measured temperature-induced responses. First of all, the temperature-induced responses of a simply support beam with nonlinear translational and rotational springs subjected to various temperature loads were analyzed. The simulated temperature-induced strains and displacements were assumed as measured data. To identify the nonlinear translational and rotational boundary parameters of the bridge, the objective function based on the temperature-induced responses is then created, and the nonlinear boundary parameters were further identified by using the nonlinear least squares optimization algorithm. Then, a beam structure with nonlinear translational and rotational springs was simulated as a numerical example, and the nonlinear boundary parameters were identified based on the proposed method. The numerical results show that the proposed method can effectively identify the parameters of the nonlinear boundary conditions. Finally, the boundary parameters of a real arch bridge were identified based on the measured strain data and the proposed method. Since the bearings of the real bridge do not perform nonlinear behavior, only the linear boundary parameters of the bridge model were identified. Based on the bridge model and the identified boundary conditions, the temperature-induced strains were recalculated to compare with the measured strain data. The recalculated temperature-induced strains are in a good agreement with the real measured data.
Kouchakzadeh, Mohammad Ali;Rahgozar, Meysam;Bohlooly, Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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제74권5호
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pp.577-588
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2020
A unified solution is presented for the buckling analysis of rectangular laminated composite plates with elastically restrained edges. The plate is subjected to biaxial in-plane compression, and the boundary conditions are simulated by employing uniform distribution of linear and rotational springs at all edges. The critical values of buckling loads and corresponding modes are calculated based on classical lamination theory and using the Ritz method. The deflection function is defined based on simple polynomials without any auxiliary function. The verifications of the current study are carried out with available combinations of classic boundary conditions in the literature. Through parametric study with a wide range of spring factors with some classical as well as some not classical boundary conditions, competency of the present model of boundary conditions is proved.
This study is to analyze the buckling and the vibration of the rectangular stiffened plates with elastic springs by Finite Element Method. Boundary conditions are two types, one is all simply supported edges, another all clamped edges. To validate Finite Element Method, the buckling stresses of the stiffened plates without elastic springs are compared with the existing ones. The natural frequency parameters of the stiffened plates with or without elastic springs by Finite Element Method are also compared with the ones of SAP2000. The natural frequency parameters and the buckling stresses of the stiffened plates with elastic springs by Finite Element Method are calculated for the variation of the stiffness of the elastic springs and aspect ratio.
The present study deals with forced vibrations of an elastic circular plate supported along its circular edge by unilateral elastic springs. The plate is assumed to be subjected to a uniformly distributed and a concentrated load. Under the combination of these loads, equations of motion are explicitly derived for static and dynamic response analyses by assuming a series of the displacement functions of time and other unknown parameters which are to be determined by employing Lagrangian functional. The approximate solution is sought by applying the Lagrange equations of motions by using the potential energy of the external forces that includes the contributions of the edge forces and the external moments, i.e., those of the effects of the boundary condition to the analysis. For the numerical treatment of the problem in the time domain, the linear acceleration procedure is adopted. The tensionless character of the support is taken into account by using an iterative process and, the coordinate functions for the displacement field are selected to partially fulfill the boundary conditions so that an acceptable approximation can be achieved faster. Numerical results are presented in the figures focusing on the nonlinearity of the problem due to the plate lift-off from the unilateral springs at the edge support.
Free vibration analysis of helical springs was performed by the use of the commercial finite element analysis program, ANSYS. The investigation of national frequency was focused on the effect of various parameters such as boundary conditions, spring indices, number of coil turns and helix angles which are considered to affect the free vibration of a spring. The finite element method was validated by comparison with the result of a previouosly published literature. The similarity of frequency trend was shown among three boundary conditions: clamped-clamped, free-free, simpliy supported-simply supported but there was no similarity in light of mode shapes among them. Several modes showed similar frequencies on and near the frequencies identified by the natural frequency formula of Wahl. Natural frequencies increased with spring indices and number of turns decreasing and with helix angles increasing. The results investigated by finiete element method were compared with the experemental result and theoretical result and showed a good agreement among them.
In the current work, static and free torsional vibration of functionally graded (FG) nanorods are investigated using Fourier sine series. The boundary conditions are described by the two elastic torsional springs at the ends. The distribution of functionally graded material is considered using a power-law rule. The systems of equations of the mechanical response of nanorods subjected to deformable boundary conditions are achieved by using the modified couple stress theory (MCST) and taking the effects of torsional springs into account. The idea of the study is to construct an eigen value problem involving the torsional spring parameters with small scale parameter and functionally graded index. This article investigates the size dependent free torsional vibration based on the MCST of functionally graded nano/micro rods with deformable boundary conditions using a Fourier sine series solution for the first time. The eigen value problem is constructed using the Stokes' transform to deformable boundary conditions and also the convergence and accuracy of the present methodology are discussed in various numerical examples. The small size coefficient influence on the free torsional vibration characteristics is studied from the point of different parameters for both deformable and rigid boundary conditions. It shows that the torsional vibrational response of functionally graded nanorods are effected by geometry, small size effects, boundary conditions and material composition. Furthermore, for all deformable boundary conditions in the event of nano-sized FG nanorods, the incrementing of the small size parameters leads to increas the torsional frequencies.
본 논문에서는 교량 말뚝기초의 모델링기법에 관한분류 및 단부 지점조건의 영향을 분석하였다. 연성스프링 방법은 모델링 형태가 간편하면서도 복잡한 군말뚝 거동을 효과적으로 나타낼 수 있으므로 실제 설계에 유용한 방법이다. 다양한 말뚝 배열, 말뚝 간격, 선단지지조건, 그리고 하중크기에 따라 3차원 해석기법(YSGroup)을 통해 영향인자 분석을 수행하였으며, 그 결과 횡방향 변위, 최대 말뚝 휨응력, 그리고 군말뚝의 횡방향 스프링강성을 산정, 이를 비교$\cdot$분석하였다. 영향인자 분석을 통해 3차원 해석기법(YSGroup)을 통해 횡방향 스프링강성을 산정한 경우는 다른 단독말뚝 해석을 통해 산정한 경우에 비하여 복잡한 군말뚝 거동을 보다 적절히 예측함을 알 수 있었다.
Coupled porous curved beams, due to their low weight and high flexibility, have many applications in engineering. This study investigates the vibration behavior of coupled porous curved beams in different boundary conditions. The system consists of two curved beams connected by a mid-layer of elastic springs. These beams are made of various materials, such as homogenous steel foam, and composite materials with PMMA (polymethyl methacrylate) and SWCNT (single-walled carbon nanotube) used as the matrix and nanofillers, respectively. To obtain equivalent material properties, the role of mixture (RoM) was employed, followed by the implementation of the porosity function. The system's governing equations were obtained by employing FSDT and Hamilton's law. To investigate thermal vibration, temperature was implemented as a load in the governing equations. The GDQ method was used to solve these equations. To demonstrate the applicability of the GDQ method in calculating the frequencies of the system and the correctness of the developed program, a validation study was conducted. After validation, numerous examples were presented to investigate the behavior of single and coupled curved beams in various material properties and boundary conditions. The results indicate that the frequencies of the curved beams and the system depend highly on the amount of porosity (n) and the distribution pattern. The system frequencies decreased with an increase in the porosity coefficient. The stiffness of the springs had no effect on the first mode frequency but increased frequencies of other modes in a specific range. The frequencies of the system decreased with an increase in environmental temperature.
This paper deals with the free vibrations of horizontally curved beams with the general boundary condition, which consists of translational and rotational springs. The equations of general boundary condition of such beams are derived, while the ordinary differential equations governing free vibrations are adopted from the literature. The parabola as the curved beam's curvilinear shape is considered in numerical examples. For calculating the natural frequencies, the governing equations are solved by numerical methods. The Runge-Kutta and Determinant Search Methods are used for integrating the differential equations and for calculating the natural frequencies, respectively. for validation purpose, the numerical results obtained herein are compared to those obtained from the SAP 2000. With regard to numerical results, the relationships between frequency parameters and various beam parameters are presented in the forms of Table and figures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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