Fiber reinforced cementitious composites are nowadays widely applied in civil engineering. The postcracking performance of this material depends on the interaction between a steel fiber, which is obliquely across a crack, and its surrounding matrix. While the partly debonded steel fiber is subjected to pulling out from the matrix and simultaneously subjected to transverse force, it may be modelled as a Bernoulli-Euler beam partly supported on an elastic foundation with non-linearly varying modulus. The fiber bridging the crack may be cut into two parts to simplify the problem (Leung and Li 1992). To obtain the transverse displacement at the cut end of the fiber (Fig. 1), it is convenient to directly solve the corresponding differential equation. At the first glance, it is a classical beam on foundation problem. However, the differential equation is not analytically solvable due to the non-linear distribution of the foundation stiffness. Moreover, since the second order deformation effect is included, the boundary conditions become complex and hence conventional numerical tools such as the spline or difference methods may not be sufficient. In this study, moment equilibrium is the basis for formulation of the fundamental differential equation for the beam (Timoshenko 1956). For the cantilever part of the beam, direct integration is performed. For the non-linearly supported part, a transformation is carried out to reduce the higher order differential equation into one order simultaneous equations. The Runge-Kutta technique is employed for the solution within the boundary domain. Finally, multi-dimensional optimization approaches are carefully tested and applied to find the boundary values that are of interest. The numerical solution procedure is demonstrated to be stable and convergent.
A proper physical modeling of infilled building frame-foundation beam-soil mass interaction system is needed to predict more realistic and accurate structural behavior under static vertical loading. This is achieved via finite element method considering the superstructure, foundation and soil mass as a single integral compatible structural unit. The physical modelling is achieved via use of finite element method, which requires the use of variety of isoparametric elements with different degrees of freedom. The unbounded domain of the soil mass has been discretized with coupled finite-infinite elements to achieve computational economy. The nonlinearity of soil mass plays an important role in the redistribution of forces in the superstructure. The nonlinear behaviour of the soil mass is modeled using hyperbolic model. The incremental-iterative nonlinear solution algorithm has been adopted for carrying out the nonlinear elastic interaction analysis of a two-bay two-storey infilled building frame. The frame and the infill have been considered to behave in linear elastic manner, whereas the subsoil in nonlinear elastic manner. In this paper, the computational methodology adopted for nonlinear soil-structure interaction analysis of infilled frame-foundation-soil system has been presented.
In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
Omer Faruk Capar;Mehmet Halil Calim;Mehmet Bugra Ozbey;Yavuz Cetin Cuma
Geomechanics and Engineering
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v.39
no.3
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pp.257-271
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2024
In this study, free and forced vibration behaviour of viscoelastic porous functionally graded (VPFG) plates resting on elastic foundations are investigated. Differential equations are obtained via higher order shear deformation theory. Equations of motion are obtained through energy formulations and Hamilton's principle. Navier's method based on double Fourier series is employed for the solution. Damping effect is implemented into the analysis by means of Kelvin and linear standard viscoelastic models. Viscoelastic material properties are used instead of elastic properties by means of the correspondence principle. Displacements of the plates are determined in Laplace domain and transformed into time domain by using Durbin's Modified Inverse Laplace transform method. The proposed algorithm's accuracy is validated through free and damped vibration analyses on VPFG plate, with results compared to existing studies in the literature. The study examines the influence of viscoelastic damping parameters, porosity volume fraction indexes, foundation characteristics, porosity distribution patterns and material property variations on the damped forced vibration response.
This paper proposes a new foundation model called "Dynamic foundation model" for the dynamic analysis of plates on foundation subjected to a moving oscillator. This model includes a linear elastic spring, shear layer, viscous damping and the special effects of mass density parameters of foundation during vibration. By using finite element method and the principle of dynamic balance, the governing equation of motion of the plate travelled by the oscillator is derived and solved by the Newmark's time integration procedure. The accuracy of the algorithm is verified by comparing the numerical results with the other numerical results in the literature. Also, the effects of mass and damping ratio of system components, stiffness of suspension system, velocity of moving oscillator, and dynamic foundation parameters on dynamic responses are investigated. A very important role of these factors will be shown in the dynamic behavior of the plate.
Phuoc T. Nguyen;Thieu V. Vi;Tuan T. Nguyen;Van T. Vu
Coupled systems mechanics
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v.12
no.1
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pp.83-102
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2023
First introduced in 2016, the dynamic foundation model is an interesting topic in which the foundation is described close to reality by taking into account the influence of the foundation mass in the calculation of oscillation and is an important parameter that should be considered. In this paper, a follow-up investigation is conducted with the object of the Mindlin plate on a nonlinear dynamic foundation under moving loads. The base model includes nonlinear elastic springs, linear Pasternak parameters, viscous damping, and foundation mass. The problem is formulated by the finite element analysis and solved by the Newmark-β method. The displacement results at the center of the plate are analyzed and discussed with the change of various parameters including the nonlinear stiffness, the foundation mass, and the load velocity. The dynamic response of the plate sufficiently depends on the foundation mass.
The settlement of foundations under working load conditions is an important design consideration. Well-designed foundations induce stress-strain states in the soil that are neither in the linear elastic range nor in the range usually associated with perfect plasticity. Thus, in order to accurately predict working settlements, analyses that are more realistic than simple elastic analyses are required. The settlements of footings in sand are often estimated based on the results of in-situ tests, particularly the standard penetration test (SPT) and the cone penetration test (CPT). In this paper, we analyze the load-settlement response of vertically loaded footings placed in sands using both the finite element method with a non-linear stress-strain model and the conventional elastic approach. Based on these analyses, we propose a procedure for the estimation of footing settlement in sands based on CPT results.
In this paper, nonlinear vibrations of the unsymmetrical laminated composite beam (LCB) on a nonlinear elastic foundation are studied. The governing equation of the problem is derived by using Galerkin method. Two different end conditions are considered: the simple-simple and the clamped-clamped one. The Hamiltonian Approach (HA) method is adopted and applied for solving of the equation of motion. The advantage of the suggested method is that it does not need any linearization of the problem and the obtained approximate solution has a high accuracy. The method is used for frequency calculation. The frequency of the nonlinear system is compared with the frequency of the linear system. The influence of the parameters of the foundation nonlinearity on the frequency of vibration is considered. The differential equation of vibration is solved also numerically. The analytical and numerical results are compared and is concluded that the difference is negligible. In the paper the new method for error estimation of the analytical solution in comparison to the exact one is developed. The method is based on comparison of the calculation energy and the exact energy of the system. For certain numerical data the accuracy of the approximate frequency of vibration is determined by applying of the suggested method of error estimation. Finally, it has been indicated that the proposed Hamiltonian Approach gives enough accurate result.
A numerical approach is presented for the analysis of the forced vibration of a rigid surface foundation with arbitrary shape. In the analysis, the foundation is discretized into a number of sub squaree-lements. The dynamic response within each sub-element is described by the Green's function, which is obtained by the Fourier-Bessel transform and Precise Integration Method (PIM). Incorporating the displacement boundary condition and force equilibrium of the foundation, it obtains a system of linear algebraic equation in terms of the contact forces within each sub-element. Solving the equation leads to the desired dynamic impedance functions of the foundation. Numerical results are obtained for foundation not only with simple geometrical configurations, such as rectangular and circular foundation, but also the case of irregularly shaped foundation. Several comparisons between the proposed approach and other methods are made. Very good agreement is reached. Also, parametric studies are carried out on the dynamic response of foundation. Addressed in this study are the effects of Poisson's ratio, material damping and contact condition of soil-foundation interface. Several conclusions are drawn the significance of the factors.
This present paper concerned with the analytic modelling for vibration of the functionally graded (FG) plates resting on non-variable and variable two parameter elastic foundation, based on two-dimensional elasticity using higher shear deformation theory. Our present theory has four unknown, which mean that have less than other higher order and lower theory, and we denote do not require the factor of correction like the first shear deformation theory. The indeterminate integral are introduced in the fields of displacement, it is allowed to reduce the number from five unknown to only four variables. The elastic foundations are assumed a classical model of Winkler-Pasternak with uniform distribution stiffness of the Winkler coefficient (kw), or it is with variables distribution coefficient (kw). The variable's stiffness of elastic foundation is supposed linear, parabolic and trigonometry along the length of functionally plate. The properties of the FG plates vary according to the thickness, following a simple distribution of the power law in terms of volume fractions of the constituents of the material. The equations of motions for natural frequency of the functionally graded plates resting on variables elastic foundation are derived using Hamilton principal. The government equations are resolved, with respect boundary condition for simply supported FG plate, employing Navier series solution. The extensive validation with other works found in the literature and our results are present in this work to demonstrate the efficient and accuracy of this analytic model to predict free vibration of FG plates, with and without the effect of variables elastic foundations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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