This paper presents an innovative theoretical and numerical model to predict the lateral-torsional buckling (LTB) of simply supported steel I-beams with external prestressed tendons. The model incorporates an updated prestressing force, accounting for thermal effects and various external loadings. Critical multipliers are determined by solving an eigenvalue problem derived from applying Galërkin's approach to a set of nonlinear equilibrium equations. Validation is carried out through Finite Element Method (FEM) simulations, incorporating a new expression for an equivalent thermal expansion coefficient for the beam-tendon system, addressing both mechanical and thermal deformations. The primary aim is to estimate critical conditions considering material property degradation due to fire. The present results are generally in good agreement with those provided by the literature.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.2
no.3
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pp.21-32
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1994
The Problem of mechanical vibration is investigated for an automotive exhaust system. The vibrational reduction effect is systematically evaluated according to the attachment of the exhaust system. Moreover, the optimal attachment position of bellows is determined from the viewpoint of vibration isolation. The structure is analysed by the finite element technique where the geometry, the mass, the stiffness and the damping properties of the exhaust pipe are modeled. The validity of the developed model is verified by comparing with the experimental results. An optimization is carried out by the quadratic approximation algorithm. The reaction transferred to an automobile body by the hanger is considered ad the objective function. It is shown that the exhaust system which has the bellows at the optimal position is more effective for the vibrational characteristics than the others. It is also proved that this analytical method is quite useful in the design stage of the exhaust system.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.33
no.2
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pp.65-74
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1996
For the structural analysis of ship structures finite element method is generally used but it requires lots of working and computing time from the design viewpoint. Therefore, it is desirable to adopt a new analysis method which gives little computing time and high accuracy instead of finite element method to carry out various alternative design and optimum design. In this study, from the analysis viewpoint, structural analysis of oil tankers is carried out to verify the effectiveness of the generalized slope deflection method and the new equivalent curved beam theory which were formulated by the authors and their superiority is verified by comparison of the computing time and the results of accuracy with existing methods.
To investigate the natural frequencies of curved piping systems with various elbow angles conveying flow fluid, a simulation is performed considering Initial tension due to the inside fluid. The system is analyzed by finite element method utilizing straight beam element. Elbow part is meshed using 4 elements, and the initial tension is considered by inserting equivalent terms into the stiffness matrix. Without considering the initial tension, the system becomes unstable, that is, the fundamental natural frequency approaches to zero value fast, as the flow velocity reaches critical value. With the initial tension terms, the system becomes stable where there is no abrupt decrease of the fundamental natural frequency. The change rate of the natural frequency with respect to the flow velocity reduces. As elbow angle increases, the system becomes stiffer, then around 150 degrees of the elbow angle the natural frequency has the largest value, the value decreases after the angle of the largest natural frequency. When angle is between 170 degrees and 179 degrees, the natural frequency is very sensitive. This means that small change of angle results in great change of natural frequency, which is expected to be utilized in the control of the natural frequency of the piping system conveying flow fluid.
In this paper, a new iterative method for solving vehicle-bridge interaction problems is proposed. Iterative methods have advantages over the non-iterative methods in that it is not necessary to update the system matrix for a given wheel location, and the method can be applied for a new type of car or bridge with few or no modifications. In the proposed method, the necessity of system matrices update is eliminated using the equivalent interaction force acting on the bridge, which is obtained iteratively. Ballast stiffness is included in the interaction forces and the geometric compatibility at the contact points are used as convergence criteria. The bridge is considered as an elastic Bernoulli-Euler beam with surface irregularity and ballast stiffness. The moving vehicle is modeled as a multi-axle mass-spring-damper system having many degrees of freedom depending on the number of axles. The pitching effect, which is the interaction effect between the rear and front wheels when a vehicle begins to enter or leave the bridge, is also considered in the formulation including extended ground boundaries having surface irregularity and ballast stiffness. The applicability of the proposed method is illustrated in the numerical studies.
Theoretical and numerical assessments of approximate evaluations and simplified analyses of piezoelectric structures transverse shear modal effective electromechanical coupling coefficient (EMCC) are presented. Therefore, the latter is first introduced theoretically and its approximate evaluations are reviewed; then, three-dimensional (3D) and simplified two-dimensional (2D) plane-strain (PStrain) and plane-stress (PStress) piezoelectric constitutive behaviors of electroded shear piezoceramic patches are derived and corresponding expected short-circuit (SC) and open-circuit (OC) frequencies and resulting EMCC are discussed; next, using a piezoceramic shear sandwich beam cantilever typical benchmark, a 3D finite element (FE) assessment of different evaluation techniques of the shear modal effective EMCC is conducted, including the equipotential (EP) constraints effect; finally, 2D PStrain and PStress FE modal analyses under SC and OC electric conditions, are conducted and corresponding results (SC/OC frequencies and resulting effective EMCC) are compared to 3D ones. It is found that: (i) physical EP constraints reduce drastically the shear modal effective EMCC; (ii) PStress and PStrain results depend strongly on the filling foam stiffness, rendering inadequate the use of popular equivalent single layer models for the transverse shear-mode sandwich configuration; (iii) in contrary to results of piezoelectric shunted damping and energy harvesting popular single-degree-of-freedom-based models, transverse shear modal effective EMCC values are very small in particular for the first mode which is the common target of these applications.
Kim, Seungjun;Im, Seok-Been;Lee, Kee-Sei;Kang, Young-Jong
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.2A
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pp.85-95
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2012
This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges using nonlinear finite element analysis method. Cable-stayed bridges exhibit various geometric nonlinearities as well as material nonlinearities, so rational nonlinear finite element analysis should be performed for investigation of the ultimate behavior. In this study, ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was studied using rational ultimate analysis method. Nonlinear equivalent truss element and nonlinear frame element were used for modeling the cable, girder and mast. Moreover, refined plastic hinge method was adopted for considering the material nonlinearity of steel members. In this study, the 2-step analysis method was used. Before live load analysis, initial shape analysis was performed in order to consider the dead load condition. For investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges, analysis models which span length is 920.0 m were used. Radiating type and fan type were considered as the cable-arrangement types. With various quantitative evidences such as load-displacement curves, deformed shapes, locations of the yield point or region, bending moment distribution and so on, the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was investigated and described in this paper.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.2
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pp.19-28
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2018
The progressive collapse resistance performance of a steel structure constructed using the moment frame with the WUF-B connection and the composite slabs was evaluated. GSA 2003 was adapted for the evaluation. Additionally the structural robustness and the sensitivity against the progressive collapse were analyzed. In the numerical analysis, a reduced model comprised of the beam and spring elements for WUF-B connection was adapted. The composite slab was modeled using the composite-shell element. Instead of the time-consuming dynamic analysis for the effect of the sudden column removal, the equivalent energy-based static analysis was effectively applied. The analysis results showed that the structure was the most vulnerable to in the case of the internal column removal, however it satisfied the chord rotation criterion of GSA 2003 due to the contribution of the composite slab which improved the stiffness of structure. In the robustness evaluation, the structural performance showed more than 2.5 times of the requirement according to GSA 2003, and the structural sensitivity analysis indicated the decrease of 33% of the initial structural performance.
The aim of this research is to model the behaviour of recently developed high force to volume (HF2V) passive energy dissipation devices using a simple finite element (FE) model. Thus, the end result will be suitable for use in a standard FE code to enable computationally fast and efficient analysis and design. Two models are developed. First, a detailed axial model that models an experimental setup is created to validate the approach versus experimental results. Second, a computationally and geometrically simpler equivalent rotational hinge element model is presented. Both models are created in ABAQUS, a standard nonlinear FE code. The elastic, plastic and damping properties of the elements used to model the HF2V devices are based on results from a series of quasi-static force-displacement loops and velocity based tests of these HF2V devices. Comparison of the FE model results with the experimental results from a half scale steel beam-column sub-assembly are within 10% error. The rotational model matches the output of the more complex and computationally expensive axial element model. The simpler model will allow computationally efficient non-linear analysis of large structures with many degrees of freedom, while the more complex and physically accurate axial model will allow detailed analysis of joint connection architecture. Their high correlation to experimental results helps better guarantee the fidelity of the results of such investigations.
In this study, stochastic responses of a cable-stayed bridge subjected to the spatially varying earthquake ground motion are investigated by the finite element method taking into account soil-structure interaction (SSI) effects. The considered bridge in the analysis is Quincy Bay-view Bridge built on the Mississippi River in between 1983-1987 in Illinois, USA. The bridge is composed of two H-shaped concrete towers, double plane fan type cables and a composite concrete-steel girder deck. In order to determine the stochastic response of the bridge, a two-dimensional lumped masses model is considered. Incoherence, wave-passage and site response effects are taken into account for the spatially varying earthquake ground motion. Depending on variation in the earthquake motion, the response values of the cable-stayed bridge supported on firm, medium and soft foundation soil are obtained, separately. The effects of SSI on the stochastic response of the cable-stayed bridge are also investigated including foundation as a rigidly capped vertical pile groups. In this approach, piles closely grouped together beneath the towers are viewed as a single equivalent upright beam. The soil-pile interaction is linearly idealized as an upright beam on Winkler foundation model which is commonly used to study the response of single piles. A sufficient number of springs on the beam should be used along the length of the piles. The springs near the surface are usually the most important to characterize the response of the piles surrounded by the soil; thus a closer spacing may be used in that region. However, in generally springs are evenly spaced at about half the diameter of the pile. The results of the stochastic analysis with and without the SSI are compared each other while the bridge is under the sway of the spatially varying earthquake ground motion. Specifically, in case of rigid towers and soft soil condition, it is pointed out that the SSI should be significantly taken into account for the design of such bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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