Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
Muhammad Taj;Muzamal Hussain;Mohamed A. Khadimallah;Muhammad Safeer;S.R. Mahmoud;Zafer Iqbal;Mohamed R. Ali;Aqib Majeed;Abdelouahed Tounsi;Manzoor Ahmad
Advances in concrete construction
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제15권3호
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pp.171-178
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2023
Cytoskeleton components play key role in maintaining cell structure and in giving shape to the cell. These components include microtubules, microfilaments and intermediate filaments. Among these filaments intermediate filaments are the most rigid and bear large compressive force. Actually, these filaments are surrounded by other filaments like microtubules and microfilaments. This network of filaments makes a layer as a surface on intermediate filaments that have great impact on buckling behavior of intermediate filaments. In the present article, buckling behavior of intermediate filaments is studied by taking into account the effects of surface by using Euler Bernoulli and Timoshenko beam theories. It is found that effects of surface greatly affect the critical buckling force of intermediate filaments. Further, it is observed that the critical buckling force is inversely proportional to the length of filament. Such types of observations are helpful for further analysis of nanofibrous in their actual environments within the cell.
This paper presents spectral element formulation which approximates Lamb wave propagation by PZT transducers bonded on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by a piezoelectric (PZT) layer rigidly bonded on a base plate. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Euler-Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with the electro-mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are obtained through equations of motions converted into frequency domain. Detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through numerical examples.
In this research, the buckling analysis of sandwich beam with composite reinforced by graphene platelets (GPLs) in two face sheets is investigated. Three type various porosity patterns including uniform, symmetric and asymmetric are considered through the thickness direction of the core. Also, the top and bottom face sheets layers are considered composite reinforced by GPLs/CNTs based on Halpin-Tsai micromechanics model and extended mixture rule, respectively. Based on various shear deformation theories such as Euler-Bernoulli, Timoshenko and Reddy beam theories, the governing equations of equilibrium using minimum total potential energy are obtained. It is seen that the critical buckling load decreases with an increase in the porous coefficient, because the stiffness of sandwich beam reduces. Also, it is shown that the critical buckling load for asymmetric distribution is lower than the other cases. It can see that the effect of graphene platelets on the critical buckling load is higher than carbon nanotubes. Moreover, it is seen that the difference between carbon nanotubes and graphene platelets for Reddy and Euler-Bernoulli beam theories is most and least, respectively.
This paper presents a Level III damage evaluation methodology, which simultaneously, identifies the location, the extent, and the severity of stiffness damage in deep beams. Deep beams are structural elements with relatively high aspect (depth-to-length) ratios whose response are no longer based on the simplified Euler-Bernoulli theory. The proposed methodology is developed on the bases of the force-displacement relations of the Timoshenko beam theory and the concept of invariant stress resultants, which states that the net internal force existing at any cross-section of the beam is not affected by the inflicted damage, provided that the external loadings in the undamaged and damaged beams are identical. Irrespective of the aspect ratios, local changes in both the flexural and the shear stiffnesses of beam-type structures may be detected using the approach presented in this paper.
The dynamic response of a Timoshenko beam on a tensionless Pasternak foundation is investigated by assuming that the beam is subjected to a concentrated harmonic load at its middle. This action results in the creation of lift-off regions between the beam and the foundation that effect the character of the response. Although small displacements for the beam and the foundation are assumed, the problem becomes nonlinear since the contact/lift-off regions are not known at the outset. The governing equations of the beam, which are coupled in deflection and rotation, are obtained in both the contact and lift-off regions. After removing the coupling, the essentials of the problem (the contact regions) are determined by using an analytical-numerical method. The results are presented in figures to demonstrate the effects of some parameters on the extent of the contact lengths and displacements. The results are also compared with those of Bernoulli-Euler, shear, and Rayleigh beams. It is observed that the solution is not unique; for a fixed value of the frequency parameter, more than one solution (contact length) exists. The contact length of the beam increases with the increase of the frequency and rotary-inertia parameters, whereas it decreases with increasing shear foundation parameter.
Eltaher, M.A.;Khater, M.E.;Park, S.;Abdel-Rahman, E.;Yavuz, M.
Advances in nano research
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제4권1호
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pp.51-64
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2016
This paper investigates the effects of thermal load and shear force on the buckling of nanobeams. Higher-order shear deformation beam theories are implemented and their predictions of the critical buckling load and post-buckled configurations are compared to those of Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories. The nonlocal Eringen elasticity model is adopted to account a size-dependence at the nano-scale. Analytical closed form solutions for critical buckling loads and post-buckling configurations are derived for proposed beam theories. This would be helpful for those who work in the mechanical analysis of nanobeams especially experimentalists working in the field. Results show that thermal load has a more significant impact on the buckling behavior of simply-supported beams (S-S) than it has on clamped-clamped (C-C) beams. However, the nonlocal effect has more impact on C-C beams that it does on S-S beams. Moreover, it was found that the predictions obtained from Timoshenko beam theory are identical to those obtained using all higher-order shear deformation theories, suggesting that Timoshenko beam theory is sufficient to analyze buckling in nanobeams.
The paper presents a stability analysis of uniform Timoshenko beams resting on two-parameter elastic foundations. The two-parameter elastic foundations were considered as a shearing layer and Winkler springs in soil models. Governing equations of motion were derived using the Hamilton's principle and finite element analysis was performed and the eigenvalues were obtained for the stability analysis. The numerical results for the buckling stability of beams under axial forces are demonstrated and compared with the exact or available confirmed solutions. Finally, several examples were given for Euler-Bernoulli and Timoshenko beams with various boundary conditions.
Barquero-Cabrero, Jose Daniel;Luevanos-Rojas, Arnulfo;Lopez-Chavarria, Sandra;Medina-Elizondo, Manuel;Velazquez-Santillan, Francisco;Sandoval-Rivas, Ricardo
Smart Structures and Systems
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제22권6호
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pp.689-697
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2018
This paper presents a model of the elastic curve for rectangular beams with straight haunches under uniformly distributed load and moments in the ends considering the bending and shear deformations (Timoshenko Theory) to obtain the deflections and rotations on the beam, which is the main part of this research. The traditional model of the elastic curve for rectangular beams under uniformly distributed load considers only the bending deformations (Euler-Bernoulli Theory). Also, a comparison is made between the proposed and traditional model of simply supported beams with respect to the rotations in two supports and the maximum deflection of the beam. Also, another comparison is made for beams fixed at both ends with respect to the moments and reactions in the support A, and the maximum deflection of the beam. Results show that the proposed model is greater for simply supported beams in the maximum deflection and the traditional model is greater for beams fixed at both ends in the maximum deflection. Then, the proposed model is more appropriate and safe with respect the traditional model for structural analysis, because the shear forces and bending moments are present in any type of structure and the bending and shear deformations appear.
Mohammadimehr, M.;Mohammadi-Dehabadi, A.A.;Akhavan Alavi, S.M.;Alambeigi, K.;Bamdad, M.;Yazdani, R.;Hanifehlou, S.
Steel and Composite Structures
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제29권3호
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pp.405-422
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2018
In this research, experimental tensile test and manufacturing of carbon nanotube reinforced composite beam (CNTRC) is presented. Also, bending, buckling, and vibration analysis of CNTRC based on various beam theories such as Euler-Bernoulli, Timoshenko and Reddy beams are considered. At first, the experimental tensile tests are carried out for CNTRC and composite beams in order to obtain mechanical properties and then using Hamilton's principle the governing equations of motion are derived for Euler Bernoulli, Timoshenko and Reddy theories. The results have a good agreement with the obtained results by similar researches and it is shown that adding just two percent of carbon nanotubes increases dimensionless fundamental frequency and critical buckling load as well as decreases transverse deflection of composite beams. Also, the influences of different manufacturing processes such as hand layup and industrial methods using vacuum pump on composite properties are investigated. In these composite beams, glass fibers used in an epoxy matrix and for producing CNTRC, CNTs are applied as reinforcement particles. Applying two percent of CNTs leads to increase the mechanical properties and increases natural frequencies and critical buckling load and decreases deflection. The obtained natural frequencies and critical buckling load by theoretical method are higher than other methods, because there are some inevitable errors in industrial and hand layup method. Also, the minimum deflection occurs for theoretical methods, in bending analysis. In this study, Young's and shear modulli as well as density are obtained by experimental test and have not been used from the results of other researches. Then the theoretical analysis such as bending, buckling and vibration are considered by using the obtained mechanical properties of this research.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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