Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.4
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pp.123-132
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2010
To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analyses. For this, the displacement field is expressed by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes, respectively. Next the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are rigorously derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by centroid formulation, previous research and ABAQUS's shell elements.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.1-13
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2003
For spatial free vibration of non-symmetric thin-walled curved beams with shear deformation, an improved formulation is proposed in the present study. The elastic strain and the kinetic energies are first derived by considering constant curvature and shear deformation effects due to shear forces and restrained warping torsion. Next equilibrium equations and force-deformation relations are obtained using a stationary condition of total potential energy. And the finite element procedures are developed by using isoparametric curved beam element with arbitray thin-walled sections. Particularly not only shear deformation and thickness-curvature effects on vibration behaviors of curved beams but also mode transition and crossover phenomena with change in curvatures of beams are parametrically investigated. In order to illustrate the accuracy and the reliability of this study, various numerical solutions for spatial free vibration are compared with results by available references and ABAQUS's shell element.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.6
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pp.719-730
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2007
This study presents a thin-walled space frame element based on the classical Timoshenko beam theory. The element is derived according to the assumed strain field in order to resolve the shear-locking phenomenon. The shape function is developed in accordance with the strain field which is assumed to be constant at a 2-noded straight frame element. In this study, the geometrically nonlinear analysis applies the Corotational procedure in order to evaluate unbalanced loads. The bowing effect is also considered faithfully. Two numerical examples are given; monosymmetric curved and nonsymmetric straight cantilever. When these example structures behave lateral-torsional bucking, the critical loads are obtained by this study and ABAQUS shell elements. Also, the post-buckling behavior is examined. The results give good agreement between this study and ABAQUS shell.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.3
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pp.321-328
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2000
An improved formulation of thin-wailed curved beams with variable curvatures based on displacement field considering the second order terms of finite semitangential rotations is presented. From linearized virtual work principle by Vlasov's assumptions, the total potential energy is derived and all displacement parameters and the warping functions are defined at cendtroid axis. In developing the thin-walled curved beam element having eight degrees of freedom per a node, the cubic Hermitian polynomials are used as shape functions. In order to verify the accuracy and practical usefulness of this study, free vibrations and buckling analyses of parabolic and elliptic arche shapes with mono-symmetric sections are carried out and compared with the results analyzed by ABAQUS' shell element.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.2
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pp.291-298
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1994
This paper presents a new stiffness matrix for the analysis of arbitrary thin-walled open beams in warp-restrained torsion. The element accounts for both flexural and warping torsional effects. To eliminate the ad hoc introduction of St. Venant stiffness in this $C^0$ element, the virtual work equation based on an orthogonal Cartesian coordinate system is used. The effectiveness of the derived block stiffness is addressed. The transformation matrix between two different reference systems is also shown. Numerical examples using the proposed matrix are compared with the classical solutions or other previous results in the literature.
The general formulation for free vibration and stability analysis of unsymmetric thin-wared space frames is presented in case where the shear deformation effects are neglected. The kinetic and total potential energies are derived by applying the extended virtual work principle, introducing displacement parameters defined at the arbitrarily chosen axis and including warping deformation and second order terms of finite semitangential rotations. In formulating the finite element procedure, cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions of the two node space frame element. Mass, elastic stiffness, and geometric stiffness matrices for the unsymmetric thin-walled section are evaluated, and load-correction stiffness matrices for off-axis distributed loadings are considered. In order to illustrate the accuracy and practical usefulness of this formulation, finite element solutions for the free vibration and stability problems of thin-walled beam-columns and space frames are presented and compared with available solutions.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.5
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pp.39-52
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1993
For the lateral-torsional buckling analysis of the thin-walled space frame and circular arch with the unsymmetric cross section, the tangent stiffness matrices are derived by introducing Vlasov's assumption for the thin-walled beam and using the principle of virtual displacement. In the cases of the unrestrained torsion and the restrained torsion, the elastic and geometric stiffness matrices corresponding to semitangential rotation and semitangential moment are evaluated by using the Hermitian polynomials as the shape function. In order to illustrate the accuracy and convergence characteristics of the derived formulations, numerical examples for the lateral-torsional buckling analysis of the hinged circular arch under pure bending and uniform compression are presented and compared with the analytic solutions of references.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.1
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pp.13-24
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1993
The tangent stiffness matrices of the plane frame and the thin-walled space frame are derived by using the principle of virtual displacement. In case of the plane frame, the shape function and stiffness matrices are presented for the rigid-hinged condition. For the unsymmetric thin-walled space frame, the elastic and geometric stiffness matrices in three cases of the unrestrained torsion, the restrained torsion, and the restrained anti unrestrained torsion are evaluated by using the various Hermitian polynomials as the shape function. Numerical examples for the lateral buckling analysis of the space frames and the circular arch illustrate the accuracy and convergence characteristics of the derived formulations.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.465-472
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1998
In this study, analytic solution and finite element formulation for the free vibration analysis of thin-walled circular arch, based on linearized virtual work and Vlasov's assumption, including restrained warping effect and second order terms of finite semitangential rotations, is presented. The total potential energy is derived by applying the Hellinger-Reissner principle. In this formulation, all displacement parameters of deformation are defined at the centroid axis. For the finite element formulation, the two node cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions. In special case, potential energy functional of thin-walled curved beam with monosymmetric cross section is derived. From this methodology, analytic solution for the free vibration of monosymmetric circular arch with simply supported is derived. In order to illustrate the accuracy of this study, various parameter studies for free vibration of circular arches are presented and compared with numerical solution analyzed by the FEM using straight beam element.
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