CAE has been settled down to an indispensable tool for the simulation of a mechanical system according to the development of computer-aided analysis rapidly. Particularly finite element programs have advanced to the one of most valuable things in the filed of CAE due to the remarkable progress in the implementation. But since this analysis tool mostly provides the result of the analysis, it cannot satisfy designers who are seeking for information to improve their designs. Therefore, design sensitivity analysis or optimization module has been incorporated into commercial FEA programs to satisfy the desire of designers since 1990s. Design sensitivity analysis is to compute the rate of change of response with respected to design variable. Design sensitivity analysis is classfied into static design sensitivity analysis, Eigenvalue design sensitivity analysis and dynamic design sensitivity analysis. In this research, it will be presented to nonlinear static design sensitivity analysis formulation and nonlinear static design sensitivity analysis external module based ANSYS have been developed and illustrated an example to verify the developed module.
In this paper the progressive collapse potential of building structures designed for real construction projects were evaluated based on arbitrary column removal scenario using various alternate path methods specified in the GSA guidelines. The analysis model structures are a 22-story reinforced concrete moment frames with core wall building and a 44-story interior concrete core and exterior steel diagrid structure. The progressive collapse resisting capacities of the model structures were evaluated using the linear static, nonlinear static, and nonlinear dynamic analyses. The linear static analysis results showed that progressive collapse occurred in the 22-story model structure when an interior column was removed. However the structure turned out to be safe according to the nonlinear static and dynamic analyses. Similar results were observed in the 44-story diagrid structure. Based on the analysis results, it was concluded that, compared with nonlinear analysis procedures, the linear static method is conservative in the prediction of progressive collapse resisting capacity of building structure based on arbitrary column removal scenario.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.1256-1261
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2004
Nonlinear Response Optimization using Equivalent Static Loads (NROESL) method/algorithm is proposed to perform optimization of non-linear response structures. It is more expensive to carry out nonlinear response optimization than linear response optimization. The conventional method spends most of the total design time on nonlinear analysis. Thus, the NROESL algorithm makes the equivalent static load cases for each response and repeatedly performs linear response optimization and uses them as multiple loading conditions. The equivalent static loads are defined as the loads in the linear analysis, which generates the same response field as those in non-linear analysis. The algorithm is validated for the convergence and the optimality. The function satisfies the descent condition at each cycle and the NROESL algorithm converges. It is mathematically validated that the solution of the algorithm satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition of the original nonlinear response optimization problem. The NROESL algorithm is applied to two structural problems. Conventional optimization with sensitivity analysis using the finite difference method is also applied to the same examples. The results of the optimizations are compared. The proposed method is very efficient and derives good solutions.
Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Salwa A.;Seddek, Laila F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.6
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pp.737-750
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2019
This paper investigates the static and dynamic behaviors of imperfect single walled carbon nanotube (SWCNT) modeled as a beam structure by using energy-equivalent model (EEM), for the first time. Based on EEM Young's modulus and Poisson's ratio for zigzag (n, 0), and armchair (n, n) carbon nanotubes (CNTs) are presented as functions of orientation and force constants. Nonlinear Euler-Bernoulli assumptions are proposed considering mid-plane stretching to exhibit a large deformation and a small strain. To simulate the interaction of CNTs with the surrounding elastic medium, nonlinear elastic foundation with cubic nonlinearity and shearing layer are employed. The equation governed the motion of curved CNTs is a nonlinear integropartial-differential equation. It is derived in terms of only the lateral displacement. The nonlinear integro-differential equation that governs the buckling of CNT is numerically solved using the differential integral quadrature method (DIQM) and Newton's method. The linear vibration problem around the static configurations is discretized using DIQM and then is solved as a linear eigenvalue problem. Numerical results are depicted to illustrate the influence of chirality angle and imperfection amplitude on static response, buckling load and dynamic behaviors of armchair and zigzag CNTs. Both, clamped-clamped (C-C) and simply supported (SS-SS) boundary conditions are examined. This model is helpful especially in mechanical design of NEMS manufactured from CNTs.
Many experimental and analytical studies have been conducted with beam-column subassemblages composed of a two-span beam to investigate the progressive collapse resistance of RC frames. Most study results reveal a strength-decreased transition phase in the nonlinear static load-deflection curve, which may induce dynamic snap-through response and increase the chord rotation demand for effective catenary action (ECA). In this study, the nonlinear static response is idealized as a piecewise linear curve and analytical pseudo-static response is derived for each linearized region to investigate the rotation demands for the ECA of the two-span RC beams. With analytical parameters determined from several published test results, numerical analysis results indicate that the rotation demand of 0.20 rad recommended in the design guidelines does not always guarantee the ECA. A higher rotation demand may be induced for the two-span beams designed with smaller span-to-depth ratios and it is better to use their peak arch resistance (PAR) as the collapse strength. A tensile reinforcement ratio not greater than 1.0% and a span-to-depth ratio not less than 7.0 are suggested for the two-span RC beams bridging the removed column if the ECA is expected for the collapse resistance. Also, complementary pseudo-static analysis is advised to verify the ECA under realistic dynamic column loss even though the static PAR is recovered in the nonlinear static response. A practical empirical formula is provided to estimate an approximate rotation demand for the ECA.
Fallah, Mohammad Mehdi;Shooshtari, Ahmad;Ronagh, Hamid Reza
Structural Engineering and Mechanics
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v.46
no.5
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pp.695-711
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2013
It is reasonable to assume that reinforced concrete (RC) structures enter the nonlinear range of response during a severe ground motion. Numerical analysis to predict the behaviour therefore must allow for the presence of nonlinear deformations if an accurate estimate of seismic response is aimed. Among the factors contributing to inelastic deformations, the influence of the degradation of the bond slip phenomenon is important. Any rebar slip generates an additional rotation at the end regions of structural members which are not accounted for in a conventional analysis. Although these deformations could affect the seismic response of RC structures considerably, they are often neglected due to the unavailability of suitable models. In this paper, the seismic response of two types of RC structures, designed according to the Iranian concrete code (ABA) and the Iranian seismic code (2800), are evaluated using nonlinear dynamic and static analyses. The investigation is performed using nonlinear dynamic and static pushover analysis considering the deformations due to anchorage slip. The nonlinear analysis results confirm that bond slip significantly influences the seismic behavior of RC structure leading to an increase of lateral deformations by up to 30% depending on the height of building. The outcomes also identify important parameters affecting the extent of this influence.
In this paper, the nonlinear static and free vibration analysis of Euler-Bernoulli composite beam model reinforced by functionally graded single-walled carbon nanotubes (FG-SWCNTs) with initial geometrical imperfection under uniformly distributed load using finite element method (FEM) is investigated. The governing equations of equilibrium are derived by the Hamilton's principle and von Karman type nonlinear strain-displacement relationships are employed. Also the influences of various loadings, amplitude of the waviness, UD, USFG, and SFG distributions of carbon nanotube (CNT) and different boundary conditions on the dimensionless transverse displacements and nonlinear frequency ratio are presented. It is seen that with increasing load, the displacement of USFG beam under force loads is more than for the other states. Moreover it can be seen that the nonlinear to linear natural frequency ratio decreases with increasing aspect ratio (h/L) for UD, USFG and SFG beam. Also, it is shown that at the specified value of (h/L), the natural frequency ratio increases with the increasing the values amplitude of waviness while the dimensionless nonlinear to linear maximum deflection decreases. Moreover, with considering the amplitude of waviness, the stiffness of Euler-Bernoulli beam model reinforced by FG-CNT increases. It is concluded that the R parameter increases with increasing of volume fraction while the rate of this parameter decreases. Thus one can be obtained the optimum value of FG-CNT volume fraction to prevent from resonance phenomenon.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.2
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pp.620-626
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2016
Estimating the nonlinear seismic response of structure in earthquake engineering is important. Nonlinear static analysis is a typical method, and a variety of methods and techniques for estimating the stiffness of structural system at a certain analysis stage have been introduced and used in numerical structural analysis. On the other hand, such methods have many difficulties in practical usage because they use time-consuming iterative methods or simplified algorithms for calculating the structural stiffness at specific points in the time of nonlinear static analysis. For this reason, this study suggests an accurate and effective method for estimating the stiffness of a structure in nonlinear static analysis. For this goal, existing theories of an incremental step-by-step solution was investigated first. Subsequently, an algorithm available for calculating the precise stiffness of a structural system, each element of which has a bilinear material model, was developed based on the investigated methods. Finally, a computer program, sNs, was developed with the algorithm used.
In this paper, to examine the difference between the linear and non-linear static, dynamic analysis for a structure, a cantilevered beam was used. Then, an external transverse static and dynamic loads were applied at the free end of the beam. Classical theories were used for the linear analysis and the EDISON CSD solver, co-rotational dynamic FEM program, was used for nonlinear analysis. In the static analysis, effects of the load for the beam deflection were observed in the linear and nonlinear analysis. Then, normalized displacement of tip of the beam was predicted for different frequency ration and a significant difference was obtained in the vicinity of the resonant frequency. In addition, effects of frequency and time for the beam deflection were investigated to find the frequency delay.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.10a
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pp.483-486
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1999
A series of dynamic and static tests were conducted to observe the actual responses of a 1:5 scale 3-story reinforced concrete (RC) frame which was designed only for gravity loads. One of the major objectives of these experiments are to provide the calibration to the available static and dynamic inelastic techniques. In this study, the experimental results were simulated by using a nonlinear analysis program for reinforced concrete frame, IDARC-2D. The evaluation of the degree of the simulation leads to the conclusion that while the global behaviors such as story drifts and shears can be in general simulated with the limited accuracy in the dynamic nonlinear analysis, it is rather easy and simple to get the fairly high level of accuracy in the prediction of global and local behaviors in the static nonlinear analysis by using IDARC-2D.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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