In this paper, static nonlinear analysis of gable frame is performed using OpenSees software. Both geometric and material nonlinearities are considered in analyses. To consider large displacements, co-rotational coordinate transformation is used in software. The effects of symmetric and asymmetric support conditions including clamped and simple supports are studied. On the other hand, the material nonlinearity is reflected on analyses using Giuffre-Menegotto-Pinto steel material. Note that strain hardening characteristics are also considered in this model. Moreover, I-shaped cross-section is assumed for all members. The results are provided for different geometry properties of gable frame including shallow and deep inclined roof. It should be added that buckling and post-buckling behaviors of gable frame are investigated using related equilibrium paths. A comparison study is also implemented on the responses of buckling loads obtained for different support and geometry conditions. To trace snap-through paths completely, a displacement control method entitled arc-length is utilized. Findings show the capability of proposed model in nonlinear analysis of gable frames.
Mahmoud, Fatin F.;El-Shafei, Ahmed G.;Attia, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.47
no.1
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pp.27-44
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2013
A finite element computational procedure for the accurate analysis of quasistatic thermorheological complex structures response is developed. The geometrical nonlinearity, arising from large displacements and rotations (but small strains), is accounted for by the total Lagrangian description of motion. The Schapery's nonlinear single-integral viscoelastic constitutive model is modified for a time-stress-temperature-dependent behavior. The nonlinear thermo-viscoelastic constitutive equations are incrementalized leading to a recursive relationship and thereby the resulting finite element equations necessitate data storage from the previous time step only, and not the entire deformation history. The Newton-Raphson iterative scheme is employed to obtain a converged solution for the non-linear finite element equations. The developed numerical model is verified with the previously published works and a good agreement with them is found. The applicability of the developed model is demonstrated by analyzing two examples with different thermal/mechanical loading histories.
Magazine of korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.2
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pp.117-129
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2019
Tunnelling in urban environments is very common nowadays as large cities are expanding and transportation demands require the use of the underground space for creating extra capacity. Inevitably, any such new construction may have significant effects on existing nearby infrastructure and therefore relevant assessment of structural integrity and soil-structure interaction is required. Foundation piles can be rather sensitive to nearby tunnel construction and therefore their response needs to be evaluated carefully. Although detailed three-dimensional continuum finite element analysis can provide a wealth of information about this behaviour of piles, such analyses are generally very computationally demanding and may require a number of material and other model parameters to be properly calibrated. Therefore, relevant simplified approaches are used to provide a practical way for such an assessment. This paper presents a simple method where the pile is modelled with beam finite elements, pile-soil interaction is modelled with soil springs and tunnelling-induced displacements are introduced as an input boundary condition at the end of the soil springs. The performance of this approach is assessed through some examples of applications.
Silva, Jessica L.;Deus, Lidiane R.R.M.;Lemes, Igor J.M.;Silveira, Ricardo A.M.
Steel and Composite Structures
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v.38
no.3
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pp.257-270
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2021
This paper presents a displacement-based numerical methodology following the Euler-Bernoulli theory to simulate the 2 nonlinear behavior of steel structures. It is worth emphasizing the adoption of co-rotational finite element formulations considering large displacements and rotations and an inelastic material behavior. The numerical procedures proposed considers plasticity concentrated at the finite elements nodes, and the simulation of the steel nonlinear behavior is approached via the Strain Compatibility Method (SCM), where the material constitutive relation is used explicitly. The SCM is also applied in determining the sections bearing capacity. Moreover, the present numerical approach is not limited to a specific structural member cross-sectional typology, with the residual stress models introduced explicitly in subareas of steel cross-sections generated by a 2D discretization. Finally, results consistent with the literature and with low processing time are presented.
In this work, we propose combining an advanced optimal control algorithm with a geometrically exact beam model. For simplicity, the 2D Reissner beam model is chosen to represent large displacements and rotations. The difficulty pertains to the nonlinear nature of beam kinematics affecting the tangent stiffness matrix, making it non-constant, which compromises direct use of optimal control methods for linear problems. Thus, we seek to accommodate a time varying control using linear-quadratic regulator (LQR) algorithm with the proposed geometrically nonlinear beam model. We provide a detailed theoretical formulation and its numerical implementation in a variational format form. Several illustrative numerical examples are provided to confirm an excellent performance of the proposed methodology.
Sevim, Baris;Altunisik, Ahmet C.;Bayraktar, Alemdar
Computers and Concrete
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v.14
no.5
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pp.599-612
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2014
This paper presents the effects of the construction stages using time dependent material properties on the structural behaviour of concrete arch dams. For this purpose, a double curvature Type-5 arch dam suggested in "Arch Dams" symposium in England in 1968 is selected as a numerical example. Finite element models of Type-5 arch dam are modelled using SAP2000 program. Geometric nonlinearity is taken into consideration in the construction stage analysis using P-Delta plus large displacement criterion. In addition, the time dependent material strength variations and geometric variations are included in the analysis. Elasticity modulus, creep and shrinkage are computed for different stages of the construction process. In the construction stage analyses, a total of 64 construction stages are included. Each stage has generally $6000m^3$ concrete volume. Total duration is taken into account as 1280 days. Maximum total step and maximum iteration for each step are selected as 200 and 50, respectively. The structural behaviour of the arch dam at different construction stages has been examined. Two different finite element analyses cases are performed. In the first case, construction stages using time dependent material properties are considered. In the second case, only linear static analysis (not considered construction stages) is taken into account. Variation of the displacements and stresses are obtained from the both analyses. It is highlighted that construction stage analysis using time dependent material strength variations and geometric variations has an important effect on the structural behaviour of arch dams. The maximum longitudinal, transverse and vertical displacements obtained from construction stages and static analyses are 1.35 mm and 0 mm; -8.44 and 6.68 mm; -4.00 and -9.90 mm, respectively. In addition, vertical displacements increase from the base to crest of the dam for both analyses. The maximum S11, S22 and S33 stresses are obtained as 1.60MPa and 2.84MPa; 1.39MPa and 2.43MPa; 0.60MPa and 0.50MPa, respectively. The differences between maximum longitudinal, transverse, and vertical stresses obtained from construction stage and static analyses are 78%, 75%, and %17, respectively. On the other hand, there is averagely 12% difference between minimum stresses for all three directions.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.3
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pp.233-243
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2008
A tunnel behavior predicted in the investigation and design stage is often different from its actual behavior due to mainly the complexity of ground conditions. In a tunnel construction, therefore, it is necessary to ensure the stability of the tunnel by predicting the behaviors of the ground and the supports through observations and measurements, and modifying immediately excavation and reinforcing methods when necessary. To do so, it is important to be able to predict the final tunnel behavior based on the initial tunnel behavior as early as possible. In this study, the correlations were obtained between the initial and the final convergence by analyzing statistically the convergence measurement data, collected from two domestic road tunnels under construction using NATM. In order to estimate the unknown displacements, occurred during the period between the excavation and the first measurement, two methods were used - one is the method by means of regression analysis using a modified exponential function and the other the method by a simple linear regression analysis using the data measured within the distance from tunnel face equal to the tunnel diameter (D). Finally, the relationships were obtained between the initial and final convergence, including the non-measured displacements estimated from the two different methods, by performing linear regression analyses. The regression analysis results showed that there are clear linear relationships between the initial and final convegence and the difference between the two linear regression equations was not that large for when using the exponential function and the simple linear function to estimate the non-measured displacements.
Field monitoring data for embankments in thirteen road construction sites at coastal area of the Korean Peninsula were analyzed to investigate the characteristics of lateral flow in soft grounds, to which vertical drain methods were applied. First of all, the effect of the embankment scale on the lateral flow was investigated. Thicker soft soils and lager relative embankment scale produced more horizontal displacements in soft grounds. Especially, if thick soft grounds were placed, the relative embankment scale, which was given by the ratio of thickness of soft ground to the bottom width of embankments, became larger and in turn large horizontal displacement was produced. And also higher filling velocity of embankments induced more horizontal displacements in soft grounds. The other major factors affecting the lateral flow in soft ground were the thickness and undrained shear strength of soft grounds, the soil modulus and the stability number. Maximum horizontal displacement was induced by less undrained shear strength and soil modulus of soft grounds. Also more stability numbers produced more maximum horizontal displacements. When the shear deformation does not develop, the stability number was less than 3.0 and the safety factor of bearing was more than 1.7. However, if the stability number was more than 5.14 and the safety factor of bearing was less than 1.0, the unstable shear failure developed in soft ground. 50mm can be recommended as a criterion of the allowable maximum horizontal displacement to prevent the shear deformation in soft ground, while 100mm can be recommended as a criterion of the allowable maximum horizontal displacement to prevent the shear failure in soft ground.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.7
no.1
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pp.75-90
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1995
A mathematical model for the dynamic analysis of a riser system with the inclusion of internal flow and nonlinear effects due to large structural displacements is developed to investigate the effect of internal flow on marine riser dynamics. The riser system accounts fir the nonlinear boundary conditions and includes a steady flow inside the pipe which is modeled as an extensible or inextensible. tubular beam subject to nonlinear three dimensional hydrodynamic loads such as current or wave excitation. Galerkin's finite element approximation and time incremental operator are implemented to derive the matrix equation of equilibrium for the finite element system and the extensibility or inextensibility condition is used to reduce degree of freedom of the system and the required computational time in the case of a nonlinear model. The algorithm is implemented to develop computer programs used in several numerical applications. The investigations of the effect of infernal flow on riser vibration due to current or wave loading are performed according to the change of various parameters such as top tension, internal flow velocity, current velocity, wave period, and so on. It is found that the effect of internal flow can be controlled by the increase of top tension. However, careful consideration has to be given in the design point particularly for the long riser under the harmonic loading such as waves. And it is also found that the consideration of nonlinear effects due to large structural displacements increases the effect of internal flow on riser dynamics.
This study presents the findings of the structural health monitoring and the real time system identification of one of the first large scale building instrumentations in Turkey for earthquake safety. Within this context, a thorough review of steps in the instrumentation, monitoring is presented and seismic performance evaluation of structures using both nonlinear pushover and nonlinear dynamic time history analysis is carried out. The sensor locations are determined using the optimal sensor placement techniques used in NASA for on orbit modal identification of large space structures. System identification is carried out via the stochastic subspace technique. The results of the study show that under ambient vibrations, stocky buildings can be substantially stiffer than what is predicted by the finite element models due to the presence of a large number of partitioning walls. However, in a severe earthquake, it will not be safe to rely on this resistance due to the fact that once the partitioning walls crack, the bare frame contributes to the lateral stiffness of the building alone. Consequently, the periods obtained from system identification will be closer to those obtained from the FE analysis. A technique to control the validity of the proportional damping assumption is employed that checks the presence of phase difference in displacements of different stories obtained from band pass filtered records and it is confirmed that the "proportional damping assumption" is valid for this structure. Two different techniques are implemented for identifying the influence of the soil structure interaction. The first technique uses the transfer function between the roof and the basement in both directions. The second technique uses a pre-whitening filter on the data obtained from both the basement and the roof. Subsequently the impulse response function is computed from the scaled cross correlation between the input and the output. The overall results showed that the structure will satisfy the life safety performance level in a future earthquake but some soil structure interaction effects should be expected in the North South direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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