Irregularities in the structure are crucial factors in screening structural vulnerability under extreme loadings. Numerical analyses were carried out considering wind and seismic loadings for four structures with discrete irregularity: continuous and discontinuous beams with varied story levels, and L-shaped irregular buildings. Structural responses such as maximum displacements, bending moments, axial forces, torsions, and story drifts are evaluated as per the criteria and limits defined by ACI 318. The outcomes indicate that the frame system with beam discontinuity on the upper half of the height exhibits the best structural performance. The results also indicate that the asymmetrical design of the L-shaped model makes it more susceptible to damage when subjected to strong lateral loading conditions.
Bouafia, Khadra;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benzair, Abdelnour;Tounsi, Abdelouahed
Smart Structures and Systems
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v.19
no.2
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pp.115-126
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2017
In this paper, size dependent bending and free flexural vibration behaviors of functionally graded (FG) nanobeams are investigated using a nonlocal quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are introduced. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present theory incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FG nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The neutral surface position for such FG nanobeams is determined and the present theory based on exact neutral surface position is employed here. The governing equations are derived using the principal of minimum total potential energy. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and dynamic responses of the FG nanobeam are discussed in detail. A detailed numerical study is carried out to examine the effect of material gradient index, the nonlocal parameter, the beam aspect ratio on the global response of the FG nanobeam. These findings are important in mechanical design considerations of devices that use carbon nanotubes.
Chaht, Fouzia Larbi;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.425-442
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2015
This paper addresses theoretically the bending and buckling behaviors of size-dependent nanobeams made of functionally graded materials (FGMs) including the thickness stretching effect. The size-dependent FGM nanobeam is investigated on the basis of the nonlocal continuum model. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a sinusoidal variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FGM nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations and the related boundary conditions are derived using the principal of minimum total potential energy. A Navier-type solution is developed for simply-supported boundary conditions, and exact expressions are proposed for the deflections and the buckling load. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and stability responses of the FGM nanobeam are discussed in detail. The study is relevant to nanotechnology deployment in for example aircraft structures.
This paper presents the results of an analytical study to evaluate the inelastic seismic response characteristics of multistory building structures, the effects of gravity load on the seismic responses and its implications on the earthquake resistant design. Static analyses for incremental lateral force and nonlinear dynamic analyses for earthquake motions were performed to evaluate the seismic response of example multistory building structures. Most of considerations are placed on the distribution of inelastic responses over the height of the structure. When an earthquake occurs, bending moment demand is increased considerably from the top to the bottom of multistory structures, so that differences between bending moment demands and supplies are greater in lower floos of multistory structures. As a result, for building structures designed by the current earthquake resistant design procedure, inelastic deformations for earthquake ground motions do not distribute uniformly over the height of structures and those are induced mainly in bottom floors. In addition, gravity load considerded in design procedure tends to cause much larger damages in lower floors. From the point of view of seismic responses, gravity load affects the initial yield time of griders in earlier stage of strong earthquakes and results in different inelastic responses among the plastic hinges that form in the girders of a same floor. However, gravity load moments at beam ends are gradually reduced and finally fully relaxed after a structure experiences some inelastic excursions as a ground motion is getting stronger. Reduction of gravity load moment results in much increased structural damages in lower floors building structures. The implications of the effects of gravity load for seismic design of multistory building structures are to reduce the contributions of gravity load and to increased those of seismic load in determination of flexual strength for girders and columns.
In this investigation, study of the static and dynamic behaviors of functionally graded beams (FGB) is presented using a hyperbolic shear deformation theory (HySDT). The simply supported FG-beam is resting on the elastic foundation (Winkler-Pasternak types). The properties of the FG-beam vary according to exponential (E-FGB) and power-law (P-FGB) distributions. The governing equations are determined via Hamilton's principle and solved by using Navier's method. To show the accuracy of this model (HySDT), the current results are compared with those available in the literature. Also, various numerical results are discussed to show the influence of the variation of the volume fraction of the materials, the power index, the slenderness ratio and the effect of Winkler spring constant on the fundamental frequency, center deflection, normal and shear stress of FG-beam.
To study the working mechanism and size effect of an innovative dovetail UHPC joint originated from the 5th Nanjing Yangtze River Bridge, a large-scale testing subject to negative bending moment was conducted and compared with the previous scaled specimens. The static responses, i.e., the crack pattern, failure mode, ductility and stiffness degradation were analyzed. It was found that the scaled specimens presented similar working stages and working mechanism with the large-scale ones. However, the post-cracking ductility and relative stiffness degradation all decrease with the enlarged length/scale, apart from the relative stiffness after flexural cracking. The slab stiffness at the flexural cracking stage is 90% of the initial stiffness while only 24% of the initial stiffness reserved in the ultimate stage. Finite element model (FEM) was established and compared with the experiments to verify its effectiveness in exploring the working mechanism of the innovative joint. Based on this effective method, a series of FEMs were established to further study the influence of material strength, pre-stressing level and ratio of reinforcement on its deflection-load relationship. It is found that the ratio of reinforcement can significantly improve its load-carrying capacity among the three major-influenced factors.
In this paper, a simple and refined nonlocal hyperbolic higher-order beam theory is proposed for bending and vibration response of nanoscale beams. The present formulation incorporates the nonlocal scale parameter which can capture the small scale effect, and it considers both shear deformation and thickness stretching effects by a hyperbolic variation of all displacements across the thickness without employing shear correction factor. The highlight of this formulation is that, in addition to modeling the displacement field with only two unknowns, the thickness stretching effect (${\varepsilon}_z{\neq}0$) is also included in the present model. By utilizing the Hamilton's principle and the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the nanoscale beam are reformulated. Verification studies demonstrate that the developed theory is not only more accurate than the refined nonlocal beam theory, but also comparable with the higher-order shear deformation theories which contain more number of unknowns. The theoretical formulation proposed herein may serve as a reference for nonlocal theories as applied to the static and dynamic responses of complex-nanobeam-system such as complex carbon nanotube system.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.5
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pp.10-19
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2022
Irregularity in structural shape is a ubiquitous phenomenon. Structural hazards evoked from irregularity need to be checked against extreme lateral loadings. Structures containing four distinct types of irregularities in terms of continuity and discontinuity in upper half-length and all story levels along with O-shape are investigated. The structures were analyzed numerically and different seismic responses such as displacements, bending moment, axial forces, torsions, story drift, etc. were scrutinized. The seismic and wind load analysis was conducted for ACI 318-11 conditions. Results show that buildings having discontinuous beams on the upper half exhibit better resilience. It is also concluded that O-shaped building structures provide better resistance to overturning, making this shape relatively safe.
Dynamic analyses of tunnels are widely performed in practice in Korea. Accurate performance of a dynamic analysis is very difficult, requiring appropriate application of lower and lateral boundary conditions, deconvolution, constitutive model, and selection of dynamic soil properties etc. Lack of a systematic guideline on how to perform the dynamic analysis makes it even more difficult to perform an analysis. In addition, dynamic analyses are not needed in most cases and pseudo-static analyses are more than adequate. However, they are performed without a clear understanding on the need for the dynamic analysis and differences between the two methods. In this study, firstly, a guideline for correctly performing a 2D dynamic analysis is developed. Secondly, the differences in the tunnel responses using dynamic and pseudo-static analyses are discussed and compared. The results show that the discrepancies between the dynamic and static analyses are not significant for most cases. It is therefore recommended that the dynamic analyses be performed at tunnel portal, very soft ground, or in cases where spatial variation of the ground motion needs to be considered in the seismic analysis of tunnels in transverse direction.
Park, Kwang-Phil;Cha, Ju-Hwan;Ku, Namkug;Jo, A-Ra;Lee, Kyu-Yeul
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.12
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pp.1489-1495
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2012
In this study, we perform the structural analysis of a floating offshore wind turbine tower by considering the dynamic response of the floating platform. A multibody system consisting of three blades, a hub, a nacelle, the platform, and the tower is used to model the floating wind turbine. The blades and the tower are modeled as flexible bodies using three-dimensional beam elements. The aerodynamic force on the blades is calculated by the Blade Element Momentum (BEM) theory with hub rotation. The hydrostatic, hydrodynamic, and mooring forces are considered for the platform. The structural dynamic responses of the tower are simulated by numerically solving the equations of motion. From the simulation results, the time history of the internal forces at the nodes, such as the bending moment and stress, are obtained. In conclusion, the internal forces are compared with those obtained from static analysis to assess the effects of wave loads on the structural stability of the tower.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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