Yoon, Ki Yong;Sung, Ik Hyun;Choi, Jin Yu;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.6
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pp.793-802
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2002
This study presented a finite element formulation for the dynamic analysis of horizontally curved I-girder bridges. The stiffness and mass matrices of the curved and the straight beam elements are formulated. Each node of both elements has seven degrees of freedom, including the warping degree of freedom. The curved beam element is derived from Kang and Yoo's theory of thin-walled curved beams. The computer program EQCVB has been developed to perform dynamic analyses of various horizontally curved I-girder bridges. The Gupta method is used to solve the eigenvalue problem efficiently, while the Wilson-${\theta}$ method is used for the seismic analysis. The efficiency of EQCVB is demonstrated by comparing solution time with ABAQUS. Using EQCVB, the study is applied to investigate the dynamic behavior of horizontally curved I-girder bridges under seismic loading.
The behavior of horizontally curved I-girder bridges is complex because the flexural and torsional behavior of curved girders are coupled due to their initial curvature. Also, the behavior is affected by cross beams. To investigate the behavior of horizontally curved I-girder bridges, it is necessary to consider curved girders with cross beams. In order to perform free vibration analyses of horizontally curved I-girder bridges, a finite element formulation is presented here and a finite element analysis program is developed. The formulation that is presented here consists of curved and straight beam elements, including the warping degree of freedom. Based on the theory of thin-walled curved beams, the shape functions of the curved beam elements are derived from homogeneous solutions of the static equilibrium equations. Third-order hermits polynomials are used to form the shape functions of the straight beam elements. In the finite element analysis program, global stiffness and mass matrix are composed, based on the Cartesian coordinate system. The Gupta method is used to efficiently solve the eigenvalue problem. Comparing the results of several examples here with those of previous studies, the formulation presented is verified. The validity of the program developed is shown by comparing results with those analyzed by the shell element.
This paper presents a semi-analytical solution of simply supported horizontally composite curved I-beam by trigonometric series. The flexibility of the interlayer connectors between layers both in the tangential direction and in the radial direction is taken into account in the proposed formulation. The governing differential equations and the boundary conditions are established by applying the variational approach, which are solved by applying the Fourier series expansion method. The accuracy and efficiency of the proposed formulation are validated by comparing its results with both experimental results reported in the literature and FEM results.
An accurate and highly efficient inverse element labelled iPCB is developed based on the inverse finite element method (iFEM) for real-time shape estimation of plane-curved structures (such as arch bridges) utilizing onboard strain data. This inverse problem, named shape sensing, is vital for the design of smart structures and structural health monitoring (SHM) procedures. The iPCB formulation is defined based on a least-squares variational principle that employs curved Timoshenko beam theory as its baseline. The accurate strain-displacement relationship considering tension-bending coupling is used to establish theoretical and measured section strains. The displacement fields of the isoparametric element iPCB are interpolated utilizing nonuniform rational B-spline (NURBS) basis functions, enabling exact geometric modelling even with a very coarse mesh density. The present formulation is completely free from membrane and shear locking. Numerical validation examples for different curved structures subjected to different loading conditions have been performed and have demonstrated the excellent prediction capability of iPCBs. The present formulation has also been shown to be practical and robust since relatively accurate predictions can be obtained even omitting the shear deformation contributions and considering polluted strain measures. The current element offers a promising tool for real-time shape estimation of plane-curved structures.
Rahmani, O.;Hosseini, S.A.H.;Ghoytasi, I.;Golmohammadi, H.
Steel and Composite Structures
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v.26
no.5
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pp.607-620
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2018
Vibration analysis of deep curved FG nano-beam has been carried out based on modified couple stress theory. Material properties of curved Timoshenko beam are assumed to be functionally graded in radial direction. Governing equations of motion and related boundary conditions have been obtained via Hamilton's principle. In a parametric study, influence of length scale parameter, aspect ratio, gradient index, opening angle, mode number and interactive influences of these parameters on natural frequency of the beam, have been investigated. It was found that, considering geometrical deepness term leads to an increase in sensitivity of natural frequency about variation of aforementioned parameters.
The dynamic instability characteristics of laminated composite stiffened shell panels subjected to in-plane harmonic edge loading are investigated in this paper. The eight-noded isoparametric degenerated shell element and a compatible three-noded curved beam element are used to model the shell panels and the stiffeners respectively. As the usual formulation of degenerated beam element is found to overestimate the torsional rigidity, an attempt has been made to reformulate it in an efficient manner. Moreover the new formulation for the beam element requires five degrees of freedom per node as that of shell element. The method of Hill's infinite determinant is applied to analyze the dynamic instability regions. Numerical results are presented to demonstrate the effects of various parameters like shell geometry, lamination scheme, stiffening scheme, static and dynamic load factors and boundary conditions, on the dynamic instability behaviour of laminated composite stiffened panels subjected to in-plane harmonic loads along the boundaries. The results of free vibration and buckling of the laminated composite stiffened curved panels are also presented.
Many pipes that are arranged longitudinally in ships have loops at intervals to prevent the failure of the pipes as they absorb large portions of the axial load caused by the bending of the hull girder and/or thermal loads when the pipes are carrying very hot fluids. Since the loops are curved at corners, an efficient method for conducting the structural analyses of these curved portions is required. In this paper, a pipe loop was analyzed by an analytical method and by the finite-element method in four different ways, i.e., based on straight-beam elements, curved-beam elements, 2-D shell elements, and 3-D solid elements. The results of the five analyses were compared to check the validity of the current curved-beam theory. The paper includes some suggestions on how to analyze the pipe loops efficiently.
Nazira Mohamed;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.11
no.1
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pp.55-81
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2024
This paper presents the exact solutions and closed forms for of nonlinear stability and vibration behaviors of straight and curved beams with nonlinear viscoelastic boundary conditions, for the first time. The mathematical formulations of the beam are expressed based on Euler-Bernoulli beam theory with the von Karman nonlinearity to include the mid-plane stretching. The classical boundary conditions are replaced by nonlinear viscoelastic boundary conditions on both sides, that are presented by three elements (i.e., linear spring, nonlinear spring, and nonlinear damper). The nonlinear integro-differential equation of buckling problem subjected to nonlinear nonhomogeneous boundary conditions is derived and exactly solved to compute nonlinear static response and critical buckling load. The vibration problem is converted to nonlinear eigenvalue problem and solved analytically to calculate the natural frequencies and to predict the corresponding mode shapes. Parametric studies are carried out to depict the effects of nonlinear boundary conditions and amplitude of initial curvature on nonlinear static response and vibration behaviors of curved beam. Numerical results show that the nonlinear boundary conditions have significant effects on the critical buckling load, nonlinear buckling response and natural frequencies of the curved beam. The proposed model can be exploited in analysis of macrosystem (airfoil, flappers and wings) and microsystem (MEMS, nanosensor and nanoactuators).
Purpose: This study was to the fragility evaluation of I-shape curved beam structure subjected to strong ground motions including Gyeongju and Pohang earthquakes Method: In particular, to conduct the analytical model, ABAQUS and ANSYS platform was used in this study. Furthermore, the analytical model using 3D Finite Element Model (FEM) was validated, in comparison to the theoretical solutions at the location of 025L, 05L, and 0.75L in static loading condition. In addition, in order to evaluate the seismic fragility of the curved beam structure, 20 seismic ground motions were selected and Monte-Carlo Simulation was used for the empirical fragility evaluation from 0.2g to 1.5g. Result: It was interesting to find that the probability of the system failure was found at 0.2g, as using 190 MPa limit state and the probability of the failure using 390 MPa limit state was starting from 0.6g. Conclusion: This study showed the comparison of the theoretical solution with analytical solution on I-shaped curved beam structures and it was interesting to note that the system subjected to strong ground motions was sensitive to high frequency earthquake. Further, the seismic fragility corresponding to the curved beam shapes must be evaluated.
The differential quadrature method (D.Q.M.) is applied to computation of eigenvalues of small-amplitude free vibration for horizontally curved beams including a warping contribution. Fundamental frequencies are calculated for a single-span, curved, wide-flange beam with both ends simply supported or clamped, or simply supported-clamped end conditions. The results are compared with existing exact solutions and numerical solutions by other methods for cases in which they are available. The differential quadrature method gives good accuracy even when only a limited number of grid points is used.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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