In this study, Pasternak foundation model, which is a two parameter foundation model, is used to analyze the behavior of laterally loaded beams embedded in semi-infinite media. Total potential energy variation of the system is written to formulate the problem that yielded the required field equations and the boundary conditions. Shear force discontinuities are exposed within the boundary conditions by variational method and are validated by photo elastic experiments. Exact solution of the deflection of the beam is obtained. Both foundation parameters are obtained by self calibration for this particular problem and loading type in this study. It is shown that, like the first parameter k, the second foundation parameter G also depends not only on the material type but also on the geometry and the loading type of the system. On the other hand, surface deflection of the semi infinite media under singular loading is obtained and another method is proposed to determine the foundation parameters using the solution of this problem.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.29-36
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2003
This paper deals with the free vibration analysis of horizontally circular mea beams with variable cross sectional width on elastic foundations. Taking into account the effects of rotatory inertia and shear deformation differential equations governing the free vibrations of such beams are derived, in which the Whlkler foundation model is considered as the elastic foundation. The variable width of beam is chosen as the linear equation. The differential equations are solved numerically to calculate natural frequencies. In numerical examples, the curved beam with the hinged-hinged, hinged-clamped, clamped-hinged and damped-clamped end constraints are considered The parametric studies are conducted and the lowest four frequency parameters are reported in figures as the non-dimensional forms.
The paper presents free vibration and stability analyses of a non-uniform Timoshenko beam resting on a two-parameter elastic soil. The soil parameters can vary along the spat and is assumed to be two-parameter model including the effects of both transverse shear deformation and elastic foundation Governing equations related to the vibration and the stability of the beam are derived from Hamilton's principle, and the resulting eigen-value problems can be solved to give natural frequencies and critical force by finite element method. Numerical results for both vibration and stability of beams under an axial force are presented and compared with other available solutions. Finally, vibration frequencies, mode shapes and critical forces are investigated for various thickness ratios, shear foundation parameter, Winkler foundation parameter and boundary conditions of tapered Timoshenko beams.
The aim of this work is to analyze and predict the wave propagation behavior of the carbon nanotube reinforced composites (CNTRC) beams within the framework of various higher order shear deformation beam theory. Using the Euler-Lagrange principle, the wave equations for CNTRC beams are derived, where the determining factor is to make the determinant equal to zero. Based on the eigenvalue method, the relationship between wave number and circular frequency is obtained. Furthermore, the phase and group velocities during wave propagation are obtained as a function of wave number, and the material properties of CNTRC beams are estimated by the mixture rule. In this paper, various higher order shear beam theory including Euler beam theory, Timoshenko beam theory and other beam theories are mainly adopted to analyze the wave propagation problem of the CNTRC beams, and by this way, we conduct a comparative analysis to verify the correctness of this paper. The mathematical model provided in this paper is verified numerically by comparing it with some existing results. We further investigate the effects of different enhancement modes of CNTs, volume fraction of CNTs, spring factor and other aspects on the wave propagation behaviors of the CNTRC beams.
In this work, a trigonometric refined beam theory for the bending, buckling and free vibration analysis of carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams resting on elastic foundation is developed. The significant feature of this model is that, in addition to including the shear deformation effect, it deals with only 3 unknowns as the Timoshenko beam (TBM) without including a shear correction factor. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are aligned and distributed in polymeric matrix with different patterns of reinforcement. The material properties of the CNTRC beams are assessed by employing the rule of mixture. To examine accuracy of the present theory, several comparison studies are investigated. Furthermore, the effects of different parameters of the beam on the bending, buckling and free vibration responses of CNTRC beam are discussed.
Ebrahimi, Farzad;Barati, Mohammad Reza;Zenkour, Ashraf M.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.2
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pp.255-269
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2017
Free vibration analysis is presented for a simply-supported, functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeam embedded on elastic foundation in the framework of third order parabolic shear deformation beam theory. Effective electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to be variable throughout the thickness based on power-law model. To incorporate the small size effects into the local model, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Analytical solution is implemented to solve the size-dependent buckling analysis of FGP nanobeams based upon a higher order shear deformation beam theory where coupled equations obtained using Hamilton's principle exist for such beams. Some numerical results for natural frequencies of the FGP nanobeams are prepared, which include the influences of elastic coefficients of foundation, electric voltage, material and geometrical parameters and mode number. This study is motivated by the absence of articles in the technical literature and provides beneficial results for accurate FGP structures design.
This paper studies thermal buckling and post-buckling behaviors of functionally graded materials (FGM) tubes subjected to a uniform temperature rise and resting on elastic foundations via a refined beam model. Compared to the Timoshenko beam theory, the number of unknowns of this model are the same and no correction factors are required. The material properties of the FGM tube vary continuously in the radial direction according to a power function. Two ends of the tube are assumed to be simply supported and in-plane boundary conditions are immovable. Energy variation principle is employed to establish the governing equations. A two-step perturbation method is adopted to determine the critical thermal buckling loads and post-buckling paths of the tubes with arbitrary radial non-homogeneity. Through detailed parametric studies, it can be found that the tube has much higher buckling temperature and post-buckling strength when it is supported by an elastic foundation.
Orbanich, Claudio J.;Ortega, Nestor F.;Robles, Sandra I.;Rosales, Marta B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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pp.585-595
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2019
Foundations are a vital part of structures. Over time, the foundations can deteriorate due to unforeseen overloads and/or settlements, resulting in the appearance of cracks in the concrete. These cracks produce changes in the static and dynamic behavior of the affected foundation, which alter its load carrying capacity. In this work, non-destructive techniques of relative simplicity of application are presented for the detection, location, and quantification of damage, using numerical models, solved with the finite element method and Power Series. For this, two types of parameters are used: static (displacement and elastic curvature) and dynamics (natural frequencies). In the static analysis, the damage detection is done by means of a finite elements model representing a beam supported on an elastic foundation with a discrete crack that varies in length and location. With regard to dynamic analysis, the governing equations of the model are presented and a method based on Power Series is used to obtain the solution for a data set, which could be the Winkler coefficient, the location of the crack or the frequency. In order to validate the proposed methodologies, these techniques are applied to data obtained from laboratory tests.
Taking top-coal caving mining face (TCCMF) as research object, this paper considers the combination of top-coal and immediate roof as cushion layer to build the solution model of support resistance based on the theory of elastic foundation beam. Meanwhile, the physical and mechanical properties of coal-rock combination influencing on strata behaviors is explored. The results illustrate that the subsidence of main roof in coal wall increases and the first weighting interval decreases with the increase of top-coal and immediate roof thicknesses as well as the decrease of top-coal and immediate roof elastic modulus. Moreover, the overlying strata reflecting on support has negative and positive relationship with top-coal thickness and immediate roof thickness, respectively. However, elastic modulus has limit influence on the dead weight of top-coal and immediate roof. As a result, it has similar roles on the increase of total support resistance and overlying strata reflecting on support in the limit range of roof control distance. In view of sensitive analysis causing the change of total support resistance, it can be regards as the rank of three components as immediate roof weight > overlying strata reflecting on support > top coal weight. Finally, combined with the monitoring data of support resistance in Qingdong 828, the validity of support resistance determined based on elastic foundation beam is demonstrated, and this method can be recommended to adopt for support type selecting in TCCMF.
Zakaria Belabed;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta;Abdeldjebbar Tounsi;Hoang-Le Minh
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.2
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pp.183-204
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2024
In current investigation, a novel beam finite element model is formulated to analyze the buckling and free vibration responses of functionally graded porous beams resting on Winkler-Pasternak elastic foundations. The novelty lies in the formulation of a simplified finite element model with only three degrees of freedom per node, integrating both C0 and C1 continuity requirements according to Lagrange and Hermite interpolations, respectively, in isoparametric coordinate while emphasizing the impact of z-coordinate-dependent porosity on vibration and buckling responses. The proposed model has been validated and demonstrating high accuracy when compared to previously published solutions. A detailed parametric examination is performed, highlighting the influence of porosity distribution, foundation parameters, slenderness ratio, and boundary conditions. Unlike existing numerical techniques, the proposed element achieves a high rate of convergence with reduced computational complexity. Additionally, the model's adaptability to various mechanical problems and structural geometries is showcased through the numerical evaluation of elastic foundations, with results in strong agreement with the theoretical formulation. In light of the findings, porosity significantly affects the mechanical integrity of FGP beams on elastic foundations, with the advanced beam element offering a stable, efficient model for future research and this in-depth investigation enriches porous structure simulations in a field with limited current research, necessitating additional exploration and investigation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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