Free Vibration Analysis of a Degenerated Timoshenko Beam Including the Effect of Shear Deformation and Rotatory Inertia

전단변형(剪斷變形)과 회전관성(回轉慣性)을 고려(考慮)한 Timoshenko 보의 자유진동(自由振動) 해석(解析)

An accurate thick beam element (TB4) which includes the effects of the shear deformation and rotatory inertia has been degenerated from the three dimensional continuum by employing the Timoshenko beam assumptions. The proposed TB4 element has four nodes and two degrees of freedom at each node, totally eight degrees of freedom. The transverse deflection W and plane rotation ${\theta}$ with the cubic interpolation functions are selected as nodal variables. The element characteristics are formulated by discretizing the beam equations of motion, using the Galerkin weighted residual method, and are numerically integrated by the reduced shear integration technique, using the three-point Gauss quadrature with the various shear coefficients. Several numerical examples are analyzed to demonstrate the accuracy and the monotonic convergence behavior of the proposed TB4 beam element. The result indicates that the TB4 element shows the more excellent performance and the monotonic convergence behavior than the other existing Timoshenko beam type elements for the whole range of the beam aspect ratios, in both static and free vibration analyses.

본(本) 연구(硏究)에서는 전단변형(剪斷變形)(Shear deformation)과 회전관성(回轉慣性)(Rotatory inertia)의 영향(影響)을 고려(考慮)한 4절점(節點) 8자유도(自由度)를 갖는 Timoshenko 보 요소(要素)(TB4)를 3차원(次元) 연속체(連續體)로부터 유도(誘導)하고 있다. TB4보 요소(要素)는 3차(次) 보간함수(補間凾數)(Interpolation function)로 표시(表示)되는 연직(鉛直)처짐(Transverse deflection) W와 평면회전(平面回轉)(Plane rotation) ${\theta}$를 절점(節點)의 자유도(自由度)로 취(取)하고 있다. TB4요소(要素)의 강도(剛度)매트릭스와 질량(質量)매트릭스는 보의 운동방정식(運動方程式)을 Galerkin 가중잔차법(加重殘差法)(Weighted residual method)으로 Discretization하여 3개(個)의 Gauss점(點)을 이용(利用)한 RSI(Reduced shear integration)기법(技法)에 의한 수치적분(數値積分)으로 구해진다. TB4보 요소(要素)의 정확성(正確性)과 수감상태(收歛狀態)를 고찰(考察)하기 위하여 여러 가지 예제(例題)를 해석(解析)한 결과(結果), 보의 L/h 비(比)에 관계없이 보의 정적해석(靜的解析)(Static analysis)이라 자유진동해석(自由振動解析)(Free vibration analysis)에 있어서 TB4보 요소(要素)는 다른 Timoshenko보 요소(要素)들 보다 월등(越等)히 우수(優秀)한 정확도(正確度)와 수감현상(收歛現象)을 보여 주고 있다.