In order to optimize the design of unidirectional fiber reinforced composite C-rings, a viscoelastic load relaxation behavior was analyzed under a point load. Initially, the deflection and bending stiffness were calculated based on the elastic beam theory and the viscoelastic relaxation and creep behaviors were derived from the elastic solution using the correspondence theorem. Besides the orthotropic mechanical properties of the composite, asymmetric mechanical property due to the different tensile and compressive properties were also considered. Except the deviation affected by the relatively large thickness of the specimen compared to the radius, the calculated relaxation showed good agreement with the experimental result.
This work presents results of finite element analysis of isothermal incompressible creeping viscoelastic flows with the tensor-logarithmic formulation of the Leonov model especially for the planar geometry with singular comers in the domain. In the case of 4:1 contraction flow, for all 5 meshes we have obtained solutions over the Deborah number of 100, even though there exists slight decrease of convergence limit as the mesh becomes finer. From this analysis, singular behavior of the comer vortex has been clearly seen and proper interpolation of variables in terms of the logarithmic transformation is demonstrated. Solutions of 4:1:4 contraction/expansion flow are also presented, where there exists 2 singular comers. 5 different types spatial resolutions are also employed, in which convergent solutions are obtained over the Deborah number of 10. Although the convergence limit is rather low in comparison with the result of the contraction flow, the results presented herein seem to be the only numerical outcome available for this flow type. As the flow rate increases, the upstream vortex increases, but the downstream vortex decreases in their size. In addition, peculiar deflection of the streamlines near the exit comer has been found. When the spatial resolution is fine enough and the Deborah number is high, small lip vortex just before the exit comer has been observed. It seems to occur due to abrupt expansion of the elastic liquid through the constriction exit that accompanies sudden relaxation of elastic deformation.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.385-392
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2001
The stiffness of pavement is scarcely considered in structural analysis of the superstructure bridge. It will be reasonable in the case of asphalt concrete pavement over concrete deck plate because stiffness of the pavement compared with concrete deck plate can be ignored. Additionally, it is considered correct to do a design with a safety. However, various pavement materials which have even value reaching to the elastic modulus of concrete are applied to the orthotropic steel deck plate which has a relatively less stiffness comparing with the concrete deck plate. In this paper, the steel plate deck of the bridge of real project was modeled considering the pavement stiffness for the FEM analysis and the linear elastic analysis was performed. It was assumed to be perfectly bonded between the steel plate deck and the pavement and the temperature effect was ignored. It was analyzed on the vertical deflection of steel deck plate influencing to the serviceability of pavement and the bending stress of steel deck plate related to the fatigue life. As a result, It was indicated that the structural behavior of the orthotropic steel deck plate could be affected by the stiffness of pavement in some cases.
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 D. H. Kim in 1974. This method has been developed for two-dimensional problems including the laminated composite plates and was proved to be very effective for the plates with arbitrary boundary conditions and irregular sections. In this paper, the result of application of this method to the building slabs with passive and active control devices is presented. Finite difference method is used to obtain the deflection influence surfaces needed for this vibration analysis in this paper. The influence of the modulus of the foundation on the natural frequency is thoroughly studied.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.6
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pp.1075-1088
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1992
This paper presents techniques used to model a two arm experimental robot. Both arms are compliant and the robot operates in a vertical plane and is therefore influenced by gravity. The robot is being built to study different control strategies for robots containing compliant members. The system is built with extremely flexible members. This limits the required bandwidth of the control electronics, and mimics the flexible motions that are observed for stiffer faster robots. The objective of this paper is to develop a reduced order model of the robot system and to experimentally validate the model. Validation requires that the model includes gravitational effects. Therefore, an assumed modes model is developed which facilitates modeling of gravitational effects. In order to select the order and mode shapes for the model, an analytical solution is derived for a linearized continuous model. This is compared to the assumed modes model to determine the number of mode shapes needed to model the system. The final model, which includes shortening effects, correlates very well with experimental results.
Kim, Ul-Nyeon;Choe, Ick-Heung;Kwon, Jin-Chil;Paik, Jeom-Kee
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.2
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pp.210-224
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2010
The aim of the present study is to investigate the buckling strength of plates and stiffened panels with opening under transverse thrust and shear actions. It is observed that the existing design formulation for critical-buckling strength of plates are not valid for perforated plates, because the current design formulation trends can significantly overestimate or underestimate the load-carrying capacity of plates when plates have large opening and/or are thick. A series of eigen value and elastic.plastic large deflection finite element analyses are carried out with varying the aspect ratio of plate, the opening size and location on plate until and after the ultimate strength is reached. Based on the results obtained from the present study, closed-form design formulations for the elastic buckling strength of plates and stiffened panels with opening are derived. The derived design formulations are considered plasticity correction of the material and verified by experimental tests and results of nonlinear finite element computations.
Rahman, Mahmudur;Okui, Yoshiaki;Anwer, Muhammad Atif
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1397-1409
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2018
Stiffened plates with high slenderness parameters show large out-of-plane deflections, due to elastic buckling, which may occur before the plates reach their ultimate strength. From a serviceability point of view, restriction of out-of-plane deflections exceeding the fabrication tolerance is of primary importance. Compressive strength at the serviceability limit state (SLS) for slender stiffened plates under uniaxial stress was investigated through nonlinear elasto-plastic finite element analysis, considering both geometric and material nonlinearity. Both normal and high-performance steel were considered in the study. The SLS was defined based on a deflection limit and an elastic buckling strength. Probabilistic distributions of the SLS strengths were obtained through Monte Carlo simulations, in association with the response surface method. On the basis of the obtained statistical distributions, partial safety factors were proposed for SLS. Comparisons with the ultimate strength of different design codes e.g. Japanese Code, AASHTO, and Canadian Code indicate that AASHTO and Canadian Code provide significantly conservative design, while Japanese Code matches well with a 5% non-exceedance probability for compressive strength at SLS.
In structural engineering, the material properties of the structures such as elastic modulus, shear modulus, density, and size may not be deterministic and may vary at different locations. The dynamic response analysis of such structures may need to consider these properties as stochastic. This paper introduces a stochastic finite element method (SFEM) approach to analyze moving loads problems. Firstly, Karhunen-Loéve expansion (KLE) is applied for expressing the stochastic field of material properties. Then the mathematical expression of the random field is substituted into the finite element model to formulate the corresponding random matrix. Finally, the statistical moment of the dynamic response is calculated by the point estimation method (PEM). The accuracy and efficiency of the dynamic response obtained from the KLE-PEM are demonstrated by the example of a moving load passing through a simply supported Euler-Bernoulli beam, in which the material properties (including elastic modulus and density) are considered as random fields. The results from the KLE-PEM are compared with those from the Monte Carlo simulation. The results demonstrate that the proposed method of KLE-PEM has high accuracy and efficiency. By using the proposed SFEM, the random vertical deflection of a high-speed railway (HSR) bridge is analyzed by considering the random fields of material properties under the moving load of a train.
An unbraced cantilever beam subjected to loads which cause bending about the major axis may buckle in a flexuraltorsional mode by deflecting laterally and twisting. For the efficient design of these structures, design engineers require a simple accurate equation for the elastic flexural-torsional buckling load. Existing solutions for the flexural-torsional buckling of cantilever beams have mainly been derived by numerical methods which are tedious to implement. In this research, an attempt is made to derive a theoretical equation by the energy method using different buckled shapes. However, the results of a finite element flexural-torsional buckling analysis reveal that the buckled shapes for the lateral deflection and twist rotation are different for cantilever beams. In particular, the buckled shape for the twist rotation also varies with the section size. In light of these findings, the finite element flexural-torsional buckling analysis was then used to derive simple accurate equations for the elastic buckling load and moment for cantilever beams subjected to end point load, uniformly distributed load and end moment. The results are compared with previous research and it was found that the equations derived in this study are accurate and simple to use.
Steel-concrete composite structures have been extensively used in building, bridges, and other civil engineering infrastructure. Shear stud connectors between steel and concrete are essential in composite members to guarantee the effectiveness of their behavior in terms of strength and deformability. This study focuses on investigating the shear stiffness of headed studs embedded in several types of concrete with wide range of compressive strength, and their effects on the elastic behavior of steel-concrete composite girders were evaluated. Firstly, totally 206 monotonic push-out tests from the literature were reviewed to investigate the shear stiffness of headed studs embedded in various types of concrete (NC, HPC, UHPC etc.). Shear stiffness of studs is defined as the secant stiffness of the load-slip curve at 0.5Vu, and a formulation for predicting defined shear stiffness in elastic state was proposed, indicating that the stud diameter and the elastic modulus of steel and concrete are the main factors. And the shear stiffness predicted by the new formula agree well with test results for studs with a diameter ranging from 10 to 30 mm in the concrete with compressive strength ranging from 22.0 to 200.0MPa. Then, the effects of shear stiffness on the elastic behaviors of composite girders with different sizes and under different loading conditions were analyzed, the equations for calculating the stress and deformation of simply supported composite girders considering the influence of connection's shear stiffness were derived under different loading conditions using classical linear partial-interaction theory. As the increasing of shear stiffness, the stress and deflection at the most unfavorable section under partial connected condition tend to be those under full connected condition, but the approaching speed decreases gradually. Finally, the connector's shear stiffness was recommended for fully connection in composite girders with different dimensions under different loading conditions. The findings from present study may provide a reference for the prediction of shear stiffness for headed studs and the elastic design of steel-concrete composite girder.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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