A novel higher order shear-deformable beam model, which provides linear variation of transversal normal strain and quadratic variation of shearing strain, is proposed to describe the beam resting on foundation. Then, the traditional two-parameter Pasternak foundation model is modified to capture the effects of the axial deformation of beam. The Masing's friction law is incorporated to deal with nonlinear interaction between the foundation and the beam bottom, and the nonlinear properties of the beam material are also considered. To solve the mathematical problem, a displacement-based finite element is formulated, and the reliability of the proposed model is verified. Finally, numerical examples are presented to study the effects of the interfacial friction between the beam and foundation, and the mechanical behavior due to the tensionless characteristics of the foundation is also examined. Numerical results indicate that the effects of tensionless characteristics of foundation and the interfacial friction have significant influences on the mechanical behavior of the beam-foundation system.
Comprehensive and accurate analysis of a finite foundation beam is a challenging engineering problem and an important subject in foundation design. One of the limitation of the traditional Winkler elastic foundation model is that the model neglects the effect of the interface resistance between the beam and the underneath foundation soil. By taking the beam-soil interface resistance into account, a deformation governing differential equation for a finite beam resting on the Winkler elastic foundation is developed. The coupling effect between vertical and horizontal displacements is also considered in the presented method. Using Galerkin method, semi-analytical solutions for vertical and horizontal displacements, axial force, shear force and bending moment of the beam under symmetric loads are presented. The influences of the interface resistance on the behavior of foundation beam are also investigated.
Static response of an elastic beam on a two-parameter tensionless foundation is investigated by assuming that the beam is symmetrically subjected to a uniformly distributed load and concentrated edge loads. Governing equations of the problem are obtained and solved by pointing out that a concentrated edge foundation reaction in addition to a continuous foundation reaction along the beam axis in the case of complete contact and a discontinuity in the foundation reactions in the case of partial contact come into being as a direct result of the two-parameter foundation model. The numerical solution of the complete contact problem is straightforward. However, it is shown that the problem displays a highly non-linear character when the beam lifts off from the foundation. Numerical treatment of the governing equations is accomplished by adopting an iterative process to establish the contact length. Results are presented in figures to demonstrate the linear and non-linear behavior of the beam-foundation system for various values of the parameters of the problem comparatively.
A novel flexibility-based beam-foundation model for inelastic analyses of beams resting on foundation is presented in this paper. To model the deformability of supporting foundation media, the Winkler-Pasternak foundation model is adopted. Following the derivation of basic equations of the problem (strong form), the flexibility-based finite beam-foundation element (weak form) is formulated within the framework of the matrix virtual force principle. Through equilibrated force shape functions, the internal force fields are related to the element force degrees of freedom. Tonti's diagrams are adopted to present both strong and weak forms of the problem. Three numerical simulations are employed to assess validity and to show effectiveness of the proposed flexibility-based beam-foundation model. The first two simulations focus on elastic beam-foundation systems while the last simulation emphasizes on an inelastic beam-foundation system. The influences of the adopted foundation model to represent the underlying foundation medium are also discussed.
A study of the natural vibrations of beam resting on elastic foundation with finite number of transverse open cracks is presented. Frequency equations are derived for beams with different end restraints. Euler-Bernoulli beam on Pasternak foundation and Euler-Bernoulli beam on Pasternak foundation are investigated. The cracks are modeled by massless substitute spring. The effects of the crack location, size and its number and the foundation constants, on the natural frequencies of the beam, are investigated.
Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
Static and dynamic responses of a completely free elastic beam resting on a two-parameter tensionless Pasternak foundation are investigated by assuming that the beam is symmetrically subjected to a uniformly distributed load and concentrated load at its middle. Governing equations of the problem are obtained and solved by paying attention on the boundary conditions of the problem including the concentrated edge foundation reaction in the case of complete contact and lift-off condition of the beam ina two-parameter foundation. The nonlinear governing equation of the problem is evaluated numerically by adopting an iterative procedure. Numerical results are presented in figures to demonstrate the non-linear behavior of the beam-foundation system for various values of the parameters of the problem comparatively by considering the static and dynamic loading cases.
The dynamic response of a finite Bernoulli-Euler beam resting on a tensionless Pasternak foundation and subjected to a concentrated harmonic load is investigated in this study. This load may be applied at the center of the beam, or it may be offset from the center. Since the elastic foundation is assumed to be tensionless, the beam may lift off the foundation, resulting in contact and non-contact regions in the system. An analytical/numerical solution is obtained from the governing equations of the contact and non-contact regions to determine the coordinates of the lift-off points. Although there is no nonlinear term in the equations, the problem appears to be nonlinear since the contact regions are not known in advance. Due to that nonlinearity, the essentials of the problem (the coordinates of the lift-off points) are calculated numerically using the Newton-Raphson technique. The results, which represent the symmetric and asymmetric responses of the beam, are presented graphically in this work. They illustrate the effects of the forcing frequency and the beam length on the extent of the contact regions and displacements.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.12
no.11
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pp.5300-5305
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2011
Displacement, contact pressure and moment which are developed in rigid beam on the Winkler foundation and 2 parameter Winkler foundation were derived. It can be seen that moment distribution along with rigid beam on the Winkler foundation are regardless of spring constant and the moments calculated from assuming linear spring constant were greater than those from assuming constant spring constant. Simple calculation revealed that the maximum moment developed in the rigid beam on the 2 parameter Winkler foundation was larger than that developed in the rigid beam on the Winkler foundation.
The dynamic response of a Timoshenko beam on a tensionless Pasternak foundation is investigated by assuming that the beam is subjected to a concentrated harmonic load at its middle. This action results in the creation of lift-off regions between the beam and the foundation that effect the character of the response. Although small displacements for the beam and the foundation are assumed, the problem becomes nonlinear since the contact/lift-off regions are not known at the outset. The governing equations of the beam, which are coupled in deflection and rotation, are obtained in both the contact and lift-off regions. After removing the coupling, the essentials of the problem (the contact regions) are determined by using an analytical-numerical method. The results are presented in figures to demonstrate the effects of some parameters on the extent of the contact lengths and displacements. The results are also compared with those of Bernoulli-Euler, shear, and Rayleigh beams. It is observed that the solution is not unique; for a fixed value of the frequency parameter, more than one solution (contact length) exists. The contact length of the beam increases with the increase of the frequency and rotary-inertia parameters, whereas it decreases with increasing shear foundation parameter.
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