Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.55-61
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2002
In the present study, a first order shear deformable Loop-subdivision triangular element which can handle transverse shear deformation of moderately thick shell and composite laminated or sandwich shells are developed. The developed element is more general than the previous one based on classical shell theory, since it includes the effect of transverse shell deformation and has standard five degrees of freedom per node. The quartic box spline function is employed as the interpolation basis function. Numerical examples for the benchmark static shell problems are analyzed to assess the performance of the developed subdivision shell element and locking trouble.
A beam-column fiber element for the large displacement, nonlinear inelastic analysis of Concrete-Filled Steel Tubes (CFT) is implemented. The method of description is Total Lagrangian formulation. An 8 degree of freedom (DOF) element with three nodes, which has 3 DOF per end node and 2 DOF on the middle node, has been chosen. The quadratic Lagrangian shape functions for axial deformation and the quartic Hermitian shape function for the transverse deformation are used. It is assumed that the perfect bond is maintained between steel shell and concrete core. The constitutive models employed for concrete and steel are based on the results of a recent study and include the confinement and biaxial effects. The model is implemented to analyze several CFT columns under constant and non-proportional fluctuating concentric axial load and cyclic lateral load. Good agreement has been found between experimental results and theoretical analysis.
The results of a series of numerical experiments are presented to verify some of the important developments made in the first part of this paper. Firstly, the static solution of an algebraic system obtained through Strong Formulation Finite Element Method (SFEM) is presented. Secondly, the stress and strain recovery procedure is descripted for the present technique. It will be clear that the present approach is suitable for any strong formulation finite element methodology, due to the presented general approach based on the unknown displacements and on the elasticity equations. Thirdly, the numerical solutions for some classical and other numerical results found in literature are exposed. Finally, an arbitrarily shaped composite plate is solved and good agreement is observed for all the presented cases.
Based on the experimental data presented in part I of these companion papers, a semi-empirical model is proposed for axial stress-strain curves of reinforced high-strength concrete square columns confined by aramid fiber reinforced polymer (FRP) jackets. Additionally, a three-dimensional finite element model is developed to simulate the mechanical behaviors of the columns. In the finite element model, both material nonlinear and contact nonlinear are taken into account. Moreover, the influence of contact nonlinear (i.e., the end friction on the contact surface between test machines and specimens) is investigated deeply. Predictions from both the semi-empirical model and the finite element model agree with the experimental results, and it is also demonstrated that the friction coefficient of end friction notably affect the properties of columns when it ranges from 0.00 to 0.25.
A finite element implementation of the modified compression field theory (MCFT) using a tangential formulation is presented in this work. Previous work reported on implementations of MCFT has concentrated mainly on secant formulations. This work describes details of the implementation of a modular algorithmic structure of a reinforced concrete constitutive model in nonlinear finite element schemes that use a Jacobian matrix in the solution of the nonlinear system of algebraic equations. The implementation was verified and validated using experimental and analytical data reported in the literature. The developed algorithm, which converges accurately and quickly, can be easily implemented in any finite element code.
Bazzaz, Mohammad;Kheyroddin, Ali;Kafi, Mohammad Ali;Andalib, Zahra
Steel and Composite Structures
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v.12
no.5
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pp.445-464
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2012
In order to evaluate the dynamic behavior of passive energy dissipation system, two steps need to be considered for prediction of structural response in the presence of ductile element in an off-centre bracing system. The first is a detailed analysis of the proposed ductile element and the second is the effect of this ductile element on an off-centre bracing system. The use of ductile bracing system is expanding in steel structures in order to increase the force reduction factor. Therefore, regarding the nonlinear behavior of steel material used in an off-centre bracing systems and using ductile element in OBS bracing systems, the seismic evaluation of the mentioned systems seems to be necessary. This paper aims to study linear and nonlinear behavior of steel frames with off-centre bracing system and ductile element, in order to get the best position of these bracing elements. To achieve this purpose, the modeling has been done with ANSYS software. The optimum eccentricity has been obtained by modeling three steel frames with different eccentricities and evaluating the results of them. The analytical results showed that the model OBS-C with 0.3 eccentricities has higher performance among the models.
Filho, Joao Elias Abdalla;Belo, Ivan Moura;Pereira, Michele Schunemann
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.5
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pp.603-633
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2008
A four-node plate finite element for the analysis of laminated composites which is developed using strain gradient notation is presented. The element is based on a first-order shear deformation theory and on the equivalent lamina assumption. Strains and stresses can be calculated at different points through the thickness of the plate. They are averaged values due to the equivalent lamina assumption. A shear correction factor is used as the transverse shear strain is taken to be constant over the plate thickness while its actual variation is parabolic. Strain gradient notation, which is physically interpretable, allows for the detailed a-priori analysis of the finite element model. The polynomial expansions are inspected and spurious terms responsible for modeling errors are identified in the shear strains polynomial expansions. The element is corrected by simply removing the spurious terms from the shear strains expansions. The element is implemented into a FORTRAN finite element code in two versions; namely, with and without spurious terms. Results are compared to show the effects of the spurious terms on the solutions. It is also shown that a refined mesh composed of corrected elements provides solutions which approximate very well the analytical solutions, validating the procedure.
This paper describes the finite element model for predicting the fundamental performance of embedded steel column base connections under monotonic and cyclic loading. Geometric and material nonlinearities were included in the proposed finite element model. Bauschinger and pinching effects were considered in the simulation of embedded column base connections under cyclic loading. The degradation of steel yield strength and accumulation of plastic damage can be well simulated. The accuracy of the finite element model is examined by comparing the predicted results with independent experimental dataset. It is demonstrated that the finite element model accurately predicts the behaviour and failure models of the embedded steel column base connections. The finite element model is extended to carry out evaluations and parametric studies. The investigated parameters include column embedded length, concrete strength, axial load and base plate thickness. Moreover, analytical models for predicting the initial stiffness and bending moment strength of the embedded column base connection were developed. The comparison between results from analytical models and those from experiments and finite element analysis proved the developed analytical model was accurate and conservative for design purposes.
The aim of this work is the development of a 2D quadrilateral isoparametric finite element model, based on a layerwise approach, for the bending analysis of sandwich plates. The face sheets and the core are modeled individually using, respectively, the first order shear deformation theory and the third-order plate theory. The displacement continuity condition at the interfaces 'face sheets-core' is satisfied. The assumed natural strains method is introduced to avoid an eventual shear locking phenomenon. The developed element is a four-nodded isoparametric element with fifty two degrees-of-freedom (52 DOF). Each face sheet has only two rotational DOF per node and the core has nine DOF per node: six rotational degrees and three translation components which are common for the all sandwich layers. The performance of the proposed element model is assessed by six examples, considering symmetric/unsymmetric composite sandwich plates with different aspect ratios, loadings and boundary conditions. The numerical results obtained are compared with the analytical solutions and the numerical results obtained by other authors. The results indicate that the proposed element model is promising in terms of the accuracy and the convergence speed for both thin and thick plates.
In this paper an 8-node quadrilateral assumed stress hybrid Mindlin plate element with $39{\beta}$ is presented. The formulation is based on complementary energy principle. The proposed element is free of shear locking and is capable of passing all the patch tests, especially the non-zero constant shear enhanced patch test. To accomplish this purpose, special attention is devoted to selecting boundary displacement interpolation and stress approximation in domain. The arbitrary order Timoshenko beam function is successfully used to derive the boundary displacement interpolation. According to the equilibrium equations, an appropriate stress approximation is rationally derived. Particularly, in order to improve element's accuracy, the assumed stress field is derived by employing $39{\beta}$ rather than conventional $21{\beta}$. The resulting element can be adopted to analyze both moderately thick and thin plates, and the convergence for the very thin case can be ensured theoretically. Excellent element performance is demonstrated by a wide of experimental evaluations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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