It is well known that the analytical vibration characteristic of a cracked beam depends largely on the crack model. In the forward analysis, an improved and simplified approach in modeling discrete open cracks in beams is presented. The effective length of the crack zone on both sides of a crack with stiffness reduction is formulated in terms of the crack depth. Both free and forced vibrations of cracked beams are studied in this paper and the results from the proposed modified crack model and other existing models are compared. The modified crack model gives very accurate predictions in the modal frequencies and time responses of the beams particularly with overlaps in the effective lengths with reduced stiffness. In the inverse analysis, the response sensitivity with respect to damage parameters (the location and depth of crack, etc.) is derived. And the dynamic response sensitivity is used to update the damage parameters. The identified results from both numerical simulations and experiment work illustrate the effectiveness of the proposed method.
We develop a rigorous mathematical framework for studying dynamic behavior of cracked beams and shallow arches. The governing equations are derived from the first principles, and stated in terms of the subdifferentials of the bending and the axial potential energies. The existence and the uniqueness of the solutions is established under various conditions. The corresponding mathematical tools dealing with vector-valued functions are comprehensively developed. The motion of beams and arches is studied under the assumptions of the weak and strong damping. The presence of cracks forces weaker regularity results for the arch motion, as compared to the beam case.
In this study, the effects of crack depth and crack location on the in-plane free vibration of cracked frame structures have been investigated numerically by using the Finite Element Method. For the rectangular cross-section beam, a crack element is developed by using the principles of fracture mechanics. The effects of crack depth and location on the natural frequency of multi-bay and multi-store frame structures are presented in 3D graphs. The comparison between the present work and the results obtained from ANSYS shows a very good agreement.
Multi-storey frame structures are frequently exposed to static and dynamic forces. Therefore analyses of static (buckling) and dynamic stability come into prominence for these structures. In this study, the effects of number of storey, static and dynamic load parameters, crack depth and crack location on the in-plane static and dynamic stability of cracked multi-storey frame structures subjected to periodic loading have been investigated numerically by using the Finite Element Method. A crack element based on the Euler beam theory is developed by using the principles of fracture mechanics. The equation of motion for the cracked multi-storey frame subjected to periodic loading is achieved by Lagrange's equation. The results obtained from the stability analysis are presented in three dimensional graphs and tables.
The forced vibration response characteristics of a cracked pipe conveying fluid with a concentrated mass are investigated in this paper. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the equation of motion is derived by using Hamilton's principle. The effects of concentrated mass and fluid velocity on the forced vibration characteristics of a cracked pipe conveying fluid are studied. The deflection response is the mid-span deflection of a cracked pipe conveying fluid. As fluid velocity and crack depth are increased, the resonance frequency of the system is decreased. This study will contribute to the decision of optimum fluid velocity and crack detection for the valve-pipe systems.
This paper presents geometrically nonlinear behavior of cracked fiber reinforced composite beams by using finite element method with and the first shear beam theory. Total Lagrangian approach is used in the nonlinear kinematic relations. The crack model is considered as the rotational spring which separate into two parts of beams. In the nonlinear solution, the Newton-Raphson is used with incremental displacement. The effects of fibre orientation angles, the volume fraction, the crack depth and locations of the cracks on the geometrically nonlinear deflections of fiber reinforced composite are examined and discussed in numerical results. Also, the difference between geometrically linear and nonlinear solutions for the cracked fiber reinforced composite beams.
An analytical-numerical procedure has been presented in this paper to take into account the nonlinear effects of concrete cracking and time-dependent effects of creep and shrinkage in the concrete portion of the continuous composite beams under service load. The procedure is analytical at the element level and numerical at the structural level. The cracked span length beam element consisting of uncracked zone in middle and cracked zones near the ends has been proposed to reduce the computational effort. The progressive nature of cracking of concrete has been taken into account by division of the time into a number of time intervals. Closed form expressions for stiffness matrix, load vector, crack lengths and mid-span deflection of the beam element have been presented in order to reduce the computational effort and bookkeeping. The procedure has been validated by comparison with the experimental and analytical results reported elsewhere and with FEM. The procedure can be readily extended for the analysis of composite building frames where saving in computational effort would be very considerable.
The purpose of this paper is to develop a mathematical expression for computing crack angles based on reinforcement volumes in the longitudinal and transverse directions, member end-fixity and length-to-width aspect ratio. For this a reinforced concrete beam-column element is assumed to possess a series of potential crack planes represented by a number of differential truss elements. Depending on the boundary condition, a constant angle truss or a variable angle truss is employed to model the cracked structural concrete member. The truss models are then analyzed using the virtual work method of analysis to relate forces and deformations. Rigorous and simplified solution schemes are presented. An equation to estimate the theoretical crack angle is derived by considering the energy minimization on the virtual work done over both the shear and flexural components the energy minimization on the virtual work done over both the shear and flexural components of truss models. The crack angle in this study is defined as the steepest one among fan-shaped angles measured from the longitudinal axis of the member to the diagonal crack. The theoretical crack angle predictions are validated against experimentally observed crack angle reported by previous researchers in the literature. Good agreement between theory and experiment is obtained.
To determine the effect of transverse open crack on the dynamic behavior of simply-supported Euler-Bernoulli beam with the moving masses, an iterative modal analysis approach is developed. The influence of depth and position of the crack in the beam, on the dynamic behavior of the simply supported beam system, have been studied by numerical method. The cracked section is represented by a local flexibility matrix, connecting two undamaged beam segments that is, the crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section, and is derived by applying a fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack is increased, the mid-span deflection of the simply-supported beam, with the moving mass, is increased. The crack is positioned in the middle point of the pipe, and the mid-span defection of the simply-supported pipe represents maximum deflection.
In this paper, a new method has been proposed to detect crack in beam structures under moving mass using regularized extreme learning machine. For this purpose, frequencies of beam under moving mass used as input to train machine. This data is acquired by the analysis of cracked structure applying the finite element method (FEM). Also, a validation study used for verification of the FEM. To evaluate performance of the presented method, a fixed simply supported beam and two span continuous beam are considered containing single or multi cracks. The obtained results indicated that this method can provide a reliable tool to accurately identify cracks in beam structures under moving mass.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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