Finite element stiffness matrix methods are presented for finding natural frequencies (or buckling loads) and modes of repetitive structures. The usual approximate finite element formulations are included, but more relevantly they also permit the use of 'exact finite elements', which account for distributed mass exactly by solving appropriate differential equations. A transcendental eigenvalue problem results, for which all the natural frequencies are found with certainty. The calculations are performed for a single repeating portion of a rotationally or linearly (in one, two or three directions) repetitive structure. The emphasis is on rotational periodicity, for which principal advantages include: any repeating portions can be connected together, not just adjacent ones; nodes can lie on, and members along, the axis of rotational periodicity; complex arithmetic is used for brevity of presentation and speed of computation; two types of rotationally periodic substructures can be used in a multi-level manner; multi-level non-periodic substructuring is permitted within the repeating portions of parent rotationally periodic structures or substructures and; all the substructuring is exact, i.e., the same answers are obtained whether or not substructuring is used. Numerical results are given for a rotationally periodic structure by using exact finite elements and two levels of rotationally periodic substructures. The solution time is about 500 times faster than if none of the rotational periodicity had been used. The solution time would have been about ten times faster still if the software used had included all the substructuring features presented.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.5
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pp.447-454
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2012
Considering that the weight of a hollow slab system is not increased with an incremental increase in its thickness, and that the flexural stiffness of a hollow slab is not significantly lower than that of a general slab, there has been a growing need for hollow slab system, because long span structures are in great demand. In a long span structure, the problem of vibration of floor slabs frequently occurs, and the dynamic characteristics of a hollow slab system are quite different from the conventional floor system. It is required to investigate the safety and the serviceability of hollow slab. Therefore, there exists a necessity for accurate vibration analysis. Hollow slab should be modeled by refined mesh for accurate vibration analysis. For the efficiency of the Eigenvalue Analysis, an equivalent plate slab model when can relatively precisely represent the dynamic behavior of a one-way hollow slab system is used. In conclusion, equivalent plate models relatively precisely presented the dynamic characteristics of one-way hollows.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.18
no.3
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pp.37-44
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2018
A base isolation system is widely used to reduce seismic responses of low-rise buildings. This system cannot be effectively applied to high-rise buildings because the initial stiffness of the high-rise building with the base isolation system maintains almost the same as the building without the base isolation system to set the yield shear force of the base isolation system larger than the design wind load. To solve this problem, the mid-story isolation system was proposed and applied to many buildings. The mid-story isolation system has two major objectives; first to reduce peak story drift and second to reduce peak drift of the isolation story. Usually, these two objectives are in conflict. In this study, a hybrid mid-story isolation system for a tall building is proposed. A MR (magnetorheological) damper was used to develop the hybrid mid-story isolation system. An existing building with mid-story isolation system, that is "Shiodome Sumitomo Building" a high rise building having a large atrium in the lower levels, was used for control performance evaluation of the hybrid mid-story isolation system. Fuzzy logic controller and genetic algorithm were used to develop the control algorithm for the hybrid mid-story isolation system. It can be seen from analytical results that the hybrid mid-story isolation system can provide better control performance than the ordinary mid-story isolation system and the design process developed in this study is useful for preliminary design of the hybrid mid-story isolation system for a tall building.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.4
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pp.383-389
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2011
In this paper, a statistical calibration method is proposed in order to identify the variability of complex modulus for a rubber material due to operational temperature and experimental/model errors. To describe temperature- and frequency-dependent material properties, a fractional derivative model and a shift factor relationship are used. A likelihood function is defined as a product of the probability density functions where experimental values lie on the model. The variation of the fractional derivative model parameters is obtained by maximizing the likelihood function. Using the proposed method, the variability of a synthetic rubber material is estimated and applied to a rubber mount problem. The dynamic characteristics of the rubber mount are calculated using a finite element model of which material properties are sampled from Monte Carlo simulation. The calculated dynamic stiffnesses show very large variation.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.6
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pp.589-596
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2014
Joints, fasteners or connected parts frequently have a significant effect on the dynamical behavior of assembled mechanical structures. Therefore, the analytical prediction of structural responses depends on the accuracy of joint modeling. This paper deals with the formulation and analysis of dynamic mechanism for joint flexibilities whose relevant magnitudes of stiffnesses are investigated by using linear and torsional springs. The equation of motion is derived by using a generic joint in the middle of clamped-clamped beam. A reanalysis due to changes in magnitudes of joint stiffnesses is based on the reduced analysis where the binomial series terms are used as basis vectors. The solution procedures are straightforward and the method can be readily used with a general finite element method. The computational effort needed by this approach is usually much smaller than the effort needed for complete vibration analysis. Two numerical examples show that accurate results are obtained efficiently by reducing the number of degree in the reduced model.
Ha, Tae-Young;Kang, Jin-Han;Shin, Mee-Ran;Ahn, Byoung-Keun;Kim, Mi-Ja
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.32
no.4
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pp.380-383
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2006
Tetanus is rare in Korea due to the introduction of vaccination programs and the advancement in public health. Its common signs are trismus, voice disturbance, neck stiffness, and difficulty in swallowing, etc. A 56 years old man was injured by grasping a high voltage electric cable. After the accident, he fell down on a steel plate and had a head trauma. When he visited Emergency Department, there was multiple electric burn wound on left arm and left facial area. He was hospitalized on a department of neurosurgery, because intra cranial hemorrhage was presumed. 12 days later, he was referred to department of OMFS with developed painful masseter spasms and trismus. That night he violently bit his tongue with his denture. Because masseter muscle and temporal muscle constriction was involuntary, tongue was lacerated and denture was distorted. At first we supposed that the symptom was related with neurologic disturbance following head trauma or electric shock. But it was revealed that trismus was caused by tetanus on an electrophysiological test. By using mechanical ventilation and administration of tetanus immunoglobulin, muscle-relaxant, and sedatives at ICU, symptoms had subsided (4-weeks). Because tetanus is rare disease, we rarely suppose tetanus infection to be a cause of a trismus. Especially it is more difficult to diagnose in patient who has head trauma, burn and neurologic problem as in this case.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.6
s.40
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pp.73-80
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2004
A nonlinear time-domain system identification algorithm using measured acceleration data is developed for structural damage assessment. To take account of nonlinear behavior of structural systems, an output error between measured and computed acceleration increments has been defined and a constrained nonlinear optimization problem is solved for optimal structural parameters. The algorithm estimates time-varying properties of stiffness and damping parameters. Nonlinear response of restoring force of a structural system is recovered by using the estimated time-varying structural properties and computed displacement by Newmark-$\beta$ method. In the recovery, no pre-defined model for inelastic behavior has been assumed. In developing the algorithm, noise and incomplete measurement in space and state have been considered. To examine the developed algorithm, numerical simulation and laboratory experimental studies on a three-story shear building have been carried out.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.3
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pp.287-298
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2001
Analysis of nonlinear behavior of prestressed concrete frame structures on PC is a time-consuming computing job if the problem size increase to a certain degree. Cluster system has emerged as one of promising computing environments due to its good extendibility, portability, and cost-effectiveness, comparing it with high-end work-stations or servers. In this paper, a parallel nonlinear analysis procedure of prestressed concrete frame structure is presented using cluster computing. Cluster system is configured with readily available pentium III class PCs under Win98 or Linux and fast ethernet. Parallel computing algorithms on element-wise processing parts including the calculation of stiffness matrix, element stresses and determination of material states, check of material failure and calculation of unbalanced loads are developed using MPL. Validity of the method is discussed through typical numerical examples. For the case of 4 node system, maximum speedup is 3.15 and 3.74 for Win98 and Linux, respectively. Important issues for the efficient use of cluster computing system based un PCs and ethernet are addressed.
In standard finite element algorithms, the local stability conditions are not accounted for in the formulation of the tangent stiffness matrix. As a result, the loss of the local stability is not adequately related to the onset of the global instability. The phenomenon typically arises with material-type localizations, such as shear bands and plastic hinges. This paper addresses the problem in the context of the planar, finite-strain, rate-independent, materially non-linear beam theory, although the proposed technology is in principle not limited to beam structures. A weak formulation of Reissner's finite-strain beam theory is first presented, where the pseudocurvature of the deformed axis is the only unknown function. We further derive the local stability conditions for the large deformation case, and suggest various possible combinations of the interpolation and numerical integration schemes that trigger the simultaneous loss of the local and global instabilities of a statically determined beam. For practical applications, we advice on a procedure that uses a special numerical integration rule, where interpolation nodes and integration points are equal in number, but not in locations, except for the point of the local instability, where the interpolation node and the integration point coalesce. Provided that the point of instability is an end-point of the beam-a condition often met in engineering practice-the procedure simplifies substantially; one of such algorithms uses the combination of the Lagrangian interpolation and Lobatto's integration. The present paper uses the Galerkin finite element discretization, but a conceptually similar technology could be extended to other discretization methods.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.4
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pp.342-351
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2010
During the operation of a hydro turbine the fluid mechanical pressure loading on the turbine blades provides the driving torque on the turbine shaft. This fluid loading results in a structural load on the component which in turn causes the turbine blade to deflect. Classically, these mechanical stresses and deflections are calculated by means of finite element analysis (FEA) which applies the pressure distribution on the blade surface calculated by computational fluid dynamics (CFD) as a major boundary condition. Such an approach can be seen as a one-way coupled simulation of the fluid structure interaction (FSI) problem. In this analysis the reverse influence of the deformation on the fluid is generally neglected. Especially in axial machines the blade deformation can result in a significant impact on the turbine performance. The present paper analyzes this influence by means of fully two-way coupled FSI simulations of a propeller turbine utilizing two different approaches. The configuration has been simulated by coupling the two commercial solvers ANSYS CFX for the fluid mechanical simulation with ANSYS Classic for the structure mechanical simulation. A detailed comparison of the results for various blade stiffness by means of changing Young's Modulus are presented. The influence of the blade deformation on the runner discharge and performance will be discussed and shows for the configuration investigated no significant influence under normal structural conditions. This study also highlights that a two-way coupled fluid structure interaction simulation of a real engineering configuration is still a challenging task for today's commercially available simulation tools.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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