This paper presents the convected material frame approach to study the nonlinear behavior of inelastic frame structures. The convected material frame approach is a modification of the co-rotational approximation by incorporating an adaptive convected material frame in the basic definition of the displacement vector and strain tensor. In the formulation, each discrete element is associated with a local coordinate system that rotates and translates with the element. For each load increment, the corresponding strain-displacement and nodal force-stress relationships are defined in the updated local coordinates, and based on the updated element geometry. The rigid body motion and deformation displacements are decoupled for each increment. This modified approach incorporates the geometrical nonlinearities through the continuous updating of the material frame geometry. A generalized nonlinear function is used to derive the inelastic constitutive relation and the kinematic hardening is considered. The equation of motion is integrated by an explicit procedure and it involves only vector assemblage and vector storage in the analysis by assuming a lumped mass matrix of diagonal form. Several numerical examples are demonstrated in close agreement with the solutions obtained by the ANSYS code. Numerical studies show that the proposed approach is capable of investigating large deflection of inelastic planar structures and providing an excellent numerical performance.
Moon, Ji Ho;Yoon, Ki Yong;Kim, Sung Hoon;Lee, Hak Eun
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.17
no.4
s.77
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pp.439-447
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2005
When arch ribs are subjected to vertical loading, they may buckle suddenly towards the in-plane direction. Therefore, the designer should consider their in-plane stability. In this paper, the in-plane elastic and inelastic buckling strength of parabolic, fixed arch ribs subjected to vertical distributed loading were investigated using the finite element method. A finite element model for the snap-through and inelastic behavior of arch ribs was verified using other researchers' test results. The ultimate strength of arch ribs was determined by taking into account their large deformation, material inelasticity, and residual stress. Finally, the finite element analysis results were compared with the EC3 design code.
The inelastic buckling behaviour of continuously restrained two and three-span continuous beams subjected to concentrated loads and uniformly distributed loads are studied in this paper. The restraint type considered in this paper is fully restrained against translation and elastic twist applied at the top flange. These types of restraints are most likely experienced in industrial structures, for example steel-concrete composite beams and half through girders. The buckling analysis of continuous beam consists of two parts, firstly the moment and shear distribution along the member are determined by employing force method and the information is then used for an out-of-plane buckling analysis. The finite element method is incorporated with so-called simplified and the polynomial pattern of residual stress. Owing to the inelastic response of the steel, both the in-plane and out-of-plane analysis, which is treated as being uncoupled, extend into the nonlinear range. This paper presents the results of inelastic lateral-torsional and lateral-distortional buckling load and finally conclusions are drawn regarding the web distortion.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.8
s.251
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pp.873-879
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2006
To investigate applicability of the reference stress approach as simplified inelastic stress analysis to estimate local creep rupture, detailed finite element stress analyses of a T-piece pipe with different inner pressure and system loading levels are performed. The reference stresses are obtained from the finite element (FE) limit analysis based on elastic-perfectly-plastic materials, from which the local reference stress for creep rupture is determined from R5. The resulting inelastic stresses are compared with elastic stresses resulting from linear elastic FE calculations. Furthermore they are also compared with the stresses from full elastic-creep FE analyses. It shows that the stresses estimated from the reference stress approach compare well with those from full elastic-creep FE analysis, which are significantly lower than the elastic stress results. Considering time and efforts for full inelastic creep analysis of structures, the reference stress approach is shown to be a powerful tool for creep rupture estimates and also to reduce conservatism of elastic stress analysis significantly.
A rational and efficient seismic design methodology for irregular space steel frames using advanced methods of analysis in the framework of Eurocodes 8 and 3 is presented. This design methodology employs an advanced static or dynamic finite element method of analysis that takes into account geometrical and material non-linearities and member and frame imperfections. The inelastic static analysis (pushover) is employed with multimodal load along the height of the building combining the first few modes. The inelastic dynamic method in the time domain is employed with accelerograms taken from real earthquakes scaled so as to be compatible with the elastic design spectrum of Eurocode 8. The design procedure starts with assumed member sections, continues with the checking of the damage and ultimate limit states requirements, the serviceability requirements and ends with the adjustment of member sizes. Thus it can sufficiently capture the limit states of displacements, rotations, strength, stability and damage of the structure and its individual members so that separate member capacity checks through the interaction equations of Eurocode 3 or the usage of the conservative and crude q-factor suggested in Eurocode 8 are not required. Two numerical examples dealing with the seismic design of irregular space steel moment resisting frames are presented to illustrate the proposed method and demonstrate its advantages. The first considers a seven storey geometrically regular frame with in-plan eccentricities, while the second a six storey frame with a setback.
Kim, Tae-Hoon;Jin, Byeong-Moo;Kim, Young-Jin;Shin, Hyun-Mock
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2006.05a
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pp.178-181
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2006
The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior of precast segmental prestressed concrete bridge piers. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. An unbonded tendon element based on the finite element method, that can represent the interaction between tendon and concrete of prestressed concrete member, is used. A joint element is newly developed to predict the inelastic behaviors of segmental joints. The proposed numerical method for the inelastic behavior of precast segmental prestressed concrete bridge piers is verified by comparison with reliable experimental results.
A vector algorithm for calculating the stiffness matrices of reinforced concrete shell elements is presented. The algorithm is based on establishing vector lengths equal to the number of elements. The computational efficiency of the proposed algorithm is assessed on a Cray Y-MP supercomputer. It is shown that the vector algorithm achieves scalar-to-vector speedup of 1.7 to 7.6 on three moderate sized inelastic problems.
The flexural behavior of HSB I-girder with a non-slender web attributed to inelastic lateral-torsional buckling under uniform bending was investigated using nonlinear finite element analysis of ABAQUS. The girder was assumed to have a compact or noncompact web in order to prevent premature bend-buckling of the web. The unbraced length of the girder was selected so that inelastic lateral-torsional buckling governs the ultimate flexural strength. The compression flange was also assumed to be either compact or noncompact to prevent local buckling of the elastic flange. Both homogeneous sections fabricated from HSB600 or HSB800 steel and hybrid sections with HSB800 flanges and SM570-TMC web were considered. In the FE analysis, the flanges and web of I-girder were modeled as thin shell elements. Initial imperfections and residual stresses were imposed on the FE model. An elasto-plastic strain hardening material was assumed for steel. After establishing the validity of the present FE analysis by comparing FE results with test results in existing literature, the effects of initial imperfection and residual stress on the inelastic lateral-torsional buckling behavior were analyzed. Finite element analysis results for 96 sections demonstrated that the current inelastic strength equations for the compression flange in AASHTO LTFD can be applied to predict the inelastic lateral torsional buckling strength of homogeneous and hybrid HSB I-girders with a non-slender web.
Large deflection dynamic responses of laminated composite cylindrical shells under impact are analyzed by the geometrically nonlinear finite element method based on a generalized Sander's shell theory with the first order transverse shear deformation and the von-Karman large deflection assumption. A modified indentation law with inelastic indentation is employed for the contact force. The nonlinear finite element equations of motion of shell and an impactor along with the contact laws are solved numerically using Newmark's time marching integration scheme in conjunction with Akay type successive iteration in each step. The ply failure region of the laminated shell is estimated using the Tsai- Wu quadratic interaction criteria. Numerical results, including the contact force histories, deflections and strains are presented and compared with the ones by linear analysis. The effect of the radius of curvature on the composite shell behaviors is investigated and discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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