A new perturbation method is introduced to study the undamped free vibration of a non-prismatic Timoshenko beam for its natural frequencies and vibration modes. For simplicity, the natural modes of vibration of its corresponding prismatic Euler-Bernoulli beam with the same length and boundary conditions are used as Ritz base functions with necessary modifications to account for shear strain in the Timoshenko beam. The new method can transform two coupled partial differential equations governing the transverse vibration of the non-prismatic Timoshenko beam into a set of nonlinear algebraic equations. It significantly simplifies the solution process and is applicable to non-prismatic beams with various boundary conditions. Three examples indicated that the new method is more accurate than the previous perturbation methods. It successfully takes into account the effect of shear deformation of Timoshenko beams particularly at the free end of cantilever structures.
Raju, P. Markandeya;Rajsekhar, K.;Sandeep, T. Raghuram
Structural Engineering and Mechanics
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v.52
no.4
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pp.723-738
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2014
Prestressing is the most commonly employed technique in bridges and long span beams in commercial buildings as prestressing results in slender section with higher load carrying capacities. This work is an attempt to study the performance of a minimum weight prestressed concrete beam adopting a non-prismatic section so that there will be a reduction in the volume of concrete which in turn reduces the self-weight of the structure. The effect of adopting a non-prismatic section on parameters like prestressing force, area of prestressing steel, bending stresses, shear stresses and percentage loss of prestress are established theoretically. The analysis of non-prismatic prestressed beams is based on the assumption of pure bending theory. Equations are derived for dead load bending moment, eccentricity, and depth at any required section. Based on these equations an algorithm is developed which does the stress checks for the given section for every 500 mm interval of the span. Limit state method is used for the design of beam and finite difference method is used for finding out the deflection of a non-prismatic beam. All the parameters of nonprismatic prestressed concrete beams are compared with that of the rectangular prestressed concrete members and observed that minimum weight design and economical design are not same. Minimum weight design results in the increase in required area of prestressing steel.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.7
no.5
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pp.27-35
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2007
This study presents a non -prismatic beam element for modeling the elastic and inelastic behavior of the steel beam, which has the post-Northridge connections in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The elastic stiffness matrix for non-prismatic members with reduced beam section (RES) connection is in the closed-form. The plasticity model is of a discrete type and is composed of a series of nonlinear hinges connected by rigid links. The hardening rules can model the inelastic behavior for monotonic and random cyclic loading, and the effects of local buckling. Verification and calibration of the model are presented in a companion paper.
Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi;Hwang, Byoung Kuk;Pae, Chang Kyu
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.16
no.6
s.73
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pp.833-846
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2004
This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge connections in steel moment frames. The elastic stiffness matrix, including the shear effects for non-prismatic members with reduced beam section (RBS) connection, is in closed form. A simplified approach is also suggested, which uses a prismatic beam element to model beams with the RBS connection. This method can estimate quiteexactly the maximum story drift ratios of frames with the RBS connection. The effects of reduced beam section connection on the elastic stiffness of steel moment frames were investigated. The selection of a proper model to account for deformations at the joint might have a more important role in estimating the maximum story drift ratios of frames with better accuracy than the RBS cutouts.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.7
no.5
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pp.37-46
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2007
This is the second of two companion papers that describe non-prismatic beam element for nonlinear seismic analysis of steel moment frames. Described in a companion paper is the formulation of a non-prismatic beam element to model the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have reduced beam sections(RBS). This study describes the determination of yield surfaces, stiffness parameters, and hardening (or softening) rule parameters for RBS beam element. Analytical results of the RBS beam element show good correlation with test data and Finite Element Method(FEM) results.
The indirect displacement estimation using acceleration and strain (IDEAS) method is extended to various types of beam structures beyond the previous validation on the prismatic or near-prismatic beams. By fusing different types of responses, the IDEAS method is able to estimate displacements containing pseudo-static components with high frequency noise to be significantly reduced. However, the concerns to the IDEAS method come from possible disagreement of the assumed sinusoidal mode shapes to the actual mode shapes, which allows the IDEAS method to be valid only for simply-supported prismatic beams and limits its applicability to real world problems. In this paper, the extension of the IDEAS method to the general types of beams is investigated by the mathematical formulation of the modal mapping matrix only for the monitored substructure, so-called monitoring span. The formulation particularly considers continuous and wide beams to extend the IDEAS method to general beam structures that reflect many real bridges. Numerical simulations using four types of beams with various irregularities are presented to show the effectiveness and accuracy of the IDEAS method in estimating displacements.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.1
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pp.61-69
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2024
An ultra-high strength prestressed prismatic beam of 100 MPa in compressive strength was developed by increasing the water-tightness of concrete by utilizing centrifugal molding processes without adding expensive admixtures. The centrifugal prismatic PSC beam developed as the superstructure of the avalanche tunnel was constructed on a rahmen bridge in a small local river. In this study, the centrifugal prismatic beam was compared and analyzed based on the results of measurements made through static load tests and the results of numerical analysis of the target structure. The common load-carrying capacity and safety of the rahmen bridge were evaluated. The static·dynamic load tests and finite element analysis results of this bridge were similar, and it was confirmed that the behavior of the centrifugal prismatic beam was well simulated. All centrifugally formed square beams that make up the composite rahmen bridge were evaluated to secure sufficient load carrying capacity under the design live load, and structural reliability was proven by ensuring safety.
The paper begins by presenting a unified variational approach to the lateral-torsional buckling (LTB) analysis of doubly symmetric prismatic and tapered thin-walled beams with open cross-sections, which accounts for the influence of the pre-buckling deflections. This approach (i) extends the kinematical assumptions usually adopted for prismatic beams, (ii) consistently uses shell membrane theory in general coordinates and (iii) adopts Trefftz's criterion to perform the bifurcation analysis. The proposed formulation is then applied to investigate the influence of the pre-buckling deflections on the LTB behaviour of prismatic and web-tapered I-section simply supported beams and cantilevers. After establishing an interesting analytical result, valid for prismatic members with shear centre loading, several elastic critical moments/loads are presented, discussed and, when possible, also compared with values reported in the literature. These numerical results, which are obtained by means of the Rayleigh-Ritz method, (i) highlight the qualitative differences existing between the LTB behaviours of simply supported beams and cantilevers and (ii) illustrate how the influence of the pre-buckling deflections on LTB is affected by a number of factors, namely ($ii_1$) the minor-to-major inertia ratio, ($ii_2$) the beam length, ($ii_3$) the location of the load point of application and ($ii_4$) the bending moment diagram shape.
Despite popularity of FEM in analysis of static and dynamic structural problems and the routine applicability of FE softwares, analytical methods based on simple mathematical relations is still largely sought by many researchers and practicing engineers around the world. Development of such analytical methods for analysis of free vibration of non-prismatic beams is also of primary concern. In this paper a new and simple method is proposed for determination of vibration frequencies of non-prismatic beams under variable axial forces. The governing differential equation is first obtained and, according to a harmonic vibration, is converted into a single variable equation in terms of location. Through repetitive integrations, integral equation for the weak form of governing equation is derived. The integration constants are determined using the boundary conditions applied to the problem. The mode shape functions are approximated by a power series. Substitution of the power series into the integral equation transforms it into a system of linear algebraic equations. Natural frequencies are determined using a non-trivial solution for system of equations. Presented method is formulated for beams having various end conditions and is extended for determination of the buckling load of non-prismatic beams. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained to those obtained using available finite element software.
In this paper, a unified solution method is presented for the classical beam theory. In Strength of Materials approach, the geometry, material properties and load system are known and related with the unknowns of forces, moments, slopes and deformations by applying a classical differential analysis in addition to equilibrium, constitutive, and kinematic laws. All these relations are expressed in a unified formulation for the classical beam theory. In the special case of simple beams, a system of four linear ordinary differential equations of first order represents the general mechanical behaviour of a straight beam. These equations are solved using the numerical differential quadrature method (DQM). The application of DQM has the advantages of mathematical consistency and conceptual simplicity. The numerical procedure is simple and gives clear understanding. This systematic way of obtaining influence line, bending moment, shear force diagrams and deformed shape for the beams with geometric and load discontinuities has been discussed in this paper. Buckling loads and natural frequencies of any beam prismatic or non-prismatic with any type of support conditions can be evaluated with ease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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