A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
A multi-layered brick element fur the finite element method is developed for analyzing the three-dim-ensionally layered composite structures subjected to both thermal and mechanical boundary conditions. The element has eight nodes with one degree of freedom for the temperature and three for the display-ements at each node, and can contain arbitrary number of layers with different material properties with-in the element; the conventional element should contain one material within an element. Thus the total number of nodes and elements, which are needed to analyze the multi-layered composite structures, can be tremendously reduced. In solving the global equation, a partitioning technique is used to obtain the temperature and the displacements which are caused by both the mechanical boundary conditions and temperature distributions. The results by using the developed element are compared wish the commercial package, ANSYS and the conventional finite element methods, and they are in good agreement. It is also shown that the Number of nodes and elements can be tremendously reduced using the element without losing the numerical accuracies.
Visco-elastic material and thin metals were adhered to plate structures, forming the composite components that are similar to the sandwich plates, called constrained layered damped (CLD) plates. Constrained layer damping has been utilized for years to reduce vibration, and advances in computation and finite element analysis software have enabled various problems to be solved by computer. However, some problems consume much calculation time. The vibration equation for a constrained layered damped plate with simple supports and an impact force is obtained theoretically herein. Then, the results of the vibration equation are compared with those obtained using the finite element method (FEM) software, ABAQUS, to verify the accuracy of the theory. Finally, the 3M constrained layer damper SJ-2052 was attached to plates to form constrained layered damped plates, and the vibration equation was used to elucidate the damping effects and vibration characteristics.
In this paper, the general equation of motion of damped sandwich beam with multi-viscoelastic material layer was derived based on the equation presented by Mead and Markus. The viscoelastic layer, which has characteristics of complex shear modulus, was assumed to be dominantly under shear deformation. The equation of motion of n-layered damped sandwich beam in bending could be represented by (n+3)th order ordinary differential equation. Finite element model for the n-layered damped sandwich beam was formulated and programmed using higher order shape functions. Several numerical examples were implemented to show the effects of damped material.
It is usual that underground structures are constructed within multi-layered medium. In this paper, an efficient numerical model ling of multi-layered structural systems is studied using coupled analysis of finite elements and boundary elements. The finite elements are applied to the area in which the material nonlinearity is dominated, and the boundary elements are applied to the far field area where the nonlinearity is relatively weak. In the boundary element model 1 ins of the multi-layered medium, fundamental solutions are restricted. Thus, methods which can utilize existing Kelvin and Melan solution are sought for the interior multi-layered domain problem and semi infinite domain problem. Interior domain problem which has piecewise homogeneous layers is analyzed using boundary elements with Kelvin solution; by discretizing each homogeneous subregion and applying compatibility and equilibrium conditions between interfaces. Semi-infinite domain problem is analyzed using boundary elements with Melan solution, by superposing unit stiffness matrices which are obtained for each layer by enemy method. Each methodology is verified by comparing its results which the results from the finite element analysis and it is concluded that coupled analysis using boundary elements and finite elements can be reasonable and efficient if the superposition technique is applied for the multi-layered semi-infinite domain problems.
The response of a reinforced concrete structure to loading is both immediate and time-dependent. Under a sustained load, the deflections caused by creep and shrinkage may be several times their instantaneous values. The paper describes a general finite element procedure, based on the so-called layered model, to analyse reinforced concrete members, and shows in particular how the simple Step by Step Method may be incorporated into this procedure. By invoking the Modified Newton Raphson Method as a solution procedure, the accuracy of the finite element method is verified against independent test results, and then applied to a variety of problems in order to demonstrate its efficacy. The method forms a general method for analysing highly indeterminate concrete structures in the time domain.
The free vibration analysis of stiffened laminated composite plates has been performed using the layered (zigzag) finite element method based on the first order shear deformation theory. The layers of the laminated plate is modeled using nine-node isoparametric degenerated flat shell element. The stiffeners are modeled as three-node isoparametric beam elements based on Timoshenko beam theory. Bilinear in-plane displacement constraints are used to maintain the inter-layer continuity. A special lumping technique is used in deriving the lumped mass matrices. The natural frequencies are extracted using the subspace iteration method. Numerical results are presented for unstiffened laminated plates, stiffened isotropic plates, stiffened symmetric angle-ply laminates, stiffened skew-symmetric angle-ply laminates and stiffened skew-symmetric cross-ply laminates. The effects of fiber orientations (ply angles), number of layers, stiffener depths and degrees of orthotropy are examined.
Site response analysis is an important topic in earthquake engineering. A time-domain numerical method called as one-dimensional (1D) finite element artificial boundary method is proposed to simulate the homogeneous plane elastic wave propagation in a layered half space subjected to the obliquely incident plane body wave. In this method, an exact artificial boundary condition combining the absorbing boundary condition with the inputting boundary condition is developed to model the wave absorption and input effects of the truncated half space under layer system. The spatially two-dimensional (2D) problem consisting of the layer system with the artificial boundary condition is transformed equivalently into a 1D one along the vertical direction according to Snell's law. The resulting 1D problem is solved by the finite element method with a new explicit time integration algorithm. The 1D finite element artificial boundary method is verified by analyzing two engineering sites in time domain and by comparing with the frequency-domain transfer matrix method with fast Fourier transform.
A Comparative study on deep drawing of clad sheet is carried out to investigate the forming characteristics and the effectiveness of modified finite element analysis. An elasto-plastic finite element analysis Is developed to analyze the forming of clad sheet using explicit scheme and layered shell. Axisymmetric deep drawing of stainless clad metal sheet is performed and thickness distribution is obtained. The corresponding finite element analysis shows good agreement with the results. Some disagreement can be explained by the assumption of shell element and the complexity of deformation of clad sheet.
지하구조물의 주위지반은 일반적으로 퇴적층의 형성 또는 지각의 변동에 의해 다층구조를 가지게 되므로, 구조물 및 주위지반의 거동을 정확히 예측하기 위해서는 해석에 다층구조의 영향을 반영해야 한다. 본 연구에서는 다층으로 구성된 지하구조계를 대상으로 하여 구조물과 그 주변에는 비선형 유한요소를 사용하고, 비선형성이 상대적으로 미약한 주변 다층지반에는 선형 경계요소를 사용하여 재료의 비선형성과 비균질성을 고려한 효율적인 조합해석방법을 개발하고자 한다. 반무한영역에 설정되는 다층구조계를 경계요소로 해석할 경우 그 기본해가 제한되어 있으므로, 본 연구에서는 기존의 무한기본해를 이용하는 방법을 사용하였다. 무한기본해를 이용하는 내부영역문제의 경우 각각의 균질한 층을 부영역(subdomain)으로 분할하고 계방정식을 구성한 뒤에 접합면에 대하여 평형조건과 적합조건을 만족시켜 주는 방법을 사용하여 비균질성을 고려한다. 부영역으로 층을 분할한 내부영역문제의 경계요소해석 결과는 선형 유한요소해석 결과와 비교하여 검증하였고, 검증된 경계요소 프로그램을 비선형 유한요소 프로그램과 조합하였다. 조합해석 결과, 굴착부 주변의 응력집 중부에는 비선형 유한요소를 사용하고, 비선형의 영향이 미소한 주변의 다층지반에 대해서는 부영역에 의한 선형 경계요소를 사용하는 조합해석방법이 합리적이고 효율적임을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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