An incongruity is underlined about the analysis of Timoshenko beams subjected to concentrated loads modelled through the use of generalized functions. While for Euler-Bernoulli beams this modeling always leads to effective results, on the contrary, the contemporary assumptions of concentrated external moment, interpreted as a generalized function (doublet), and of shear deformation determine inconsistent discontinuities in the deflection laws. A physical/theoretical explanation of this not-neglecting incongruity is given in the text.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.15
no.12
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pp.202-211
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1998
The present paper proposes a modal analysis procedure to obtain exact modal parameters (natural frequencies, damping ratios, eigenvectors) for general, non-uniform beam-like structures. The proposed method includes a derivation of the system dynamic matrix for a Timoshenko beam element. The proposed method provides not only exact modal parameters but also exact frequency response functions (FRFs) for general beam structures. A time domain analysis method is also proposed. Two examples are provided for validating and illustrating the proposed method. The first numerical example compares the proposed method with FEM. The second example deals with a non-uniform beam structure supported in joints with damping property. The numerical study proves that the proposed method is useful for the dynamic analysis of continuous systems consisting of beam-like structures.
Recently, promising structural technologies like multi-function, ultra-load bearing capacity and tailored structures have been put up for discussions. Finite Element (FE) modelling is probably the best-known option capable of treating these superior properties and multi-domain behavior structures. However, advanced materials such as Functionally Graded Material (FGM) and nanocomposites suffer from problems resulting from variable material properties, reinforcement aggregation and mesh generation. Motivated by these factors, this research proposes a unified shape function for FGM, nanocomposites, graded nanocomposites, in addition to traditional isotropic and orthotropic structural materials. It depends not only on element length but also on the beam's material properties and geometric characteristics. The systematic mathematical theory and FE formulations are based on the Timoshenko beam theory for beam structure. Furthermore, the introduced element achieves C1 degree of continuity. The model is proved to be convergent and free-off shear locking. Moreover, numerical results for static and free vibration analysis support the model accuracy and capabilities by validation with different references. The proposed technique overcomes the issue of continuous properties modelling of these promising materials without discarding older ones. Therefore, introduced benchmark improvements on the FE old concept could be extended to help the development of new software features to confront the rapid progress of structural materials.
Based on the Mindlin plate theory, a refined discrete 15-DOF triangular laminated composite plate finite element RDTMLC with the re-constitution of the shear strain is proposed. For constituting the element displacement function, the exact displacement function of the Timoshenko's laminated composite beam as the displacement on the element boundary is used to derive the element displacements. The proposed element can be used for the analysis of both moderately thick and thin laminated composite plate, and the convergence for the very thin situation can be ensured theoretically. Numerical examples presented show that the present model indeed possesses the properties of higher accuracy for anisotropic laminated composite plates and is free of locking even for extremely thin laminated plates.
This paper presents a new identification approach to prestress force. Firstly, a bridge deck is modeled as a prestressed Timoshenko beam. The time domain responses of the beam under sinusoidal excitation are studied based on modal superposition. The prestress force is then identified in the time domain by a system identification approach incorporating with the regularization of the solution. The orthogonal polynomial function is used to improve the noise effect and obtain the derivatives of modal responses of the bridge. Good identification results are obtained from only the first few measured modal data under both sinusoidal and impulsive excitations. It is shown that the proposed method is insensitive to the magnitude of force to be identified and can be successfully applied to indirectly identify the prestress force as well as other physical parameters, such as the flexural rigidity and shearing rigidity of a beam even under noisy environment.
In this article, free vibration behavior of electro-magneto-thermo sandwich Timoshenko beam made of porous core and Graphene Platelet Reinforced Composite (GPLRC) in a thermal environment is investigated. The governing equations of motion are derived by using the modified strain gradient theory for micro structures and Hamilton's principle. The magneto electro are under linear function along the thickness that contains magnetic and electric constant potentials and a cosine function. The effects of material length scale parameters, temperature change, various distributions of porous, different distributions of graphene platelets and thickness ratio on the natural frequency of Timoshenko beam are analyzed. The results show that an increase in aspect ratio, the temperature change, and the thickness of GPL leads to reduce the natural frequency; while vice versa for porous coefficient, volume fractions and length of GPL. Moreover, the effect of different size-dependent theories such as CT, MCST and MSGT on the natural frequency is investigated. It reveals that MSGT and CT have most and lowest values of natural frequency, respectively, because MSGT leads to increase the stiffness of micro Timoshenko sandwich beam by considering three material length scale parameters. It is seen that by increasing porosity coefficient, the natural frequency increases because both stiffness and mass matrices decreases, but the effect of reduction of mass matrix is more than stiffness matrix. Considering the piezo magneto-electric layers lead to enhance the stiffness of a micro beam, thus the natural frequency increases. It can be seen that with increasing of the value of WGPL, the stiffness of microbeam increases. As a result, the value of natural frequency enhances. It is shown that in hc/h = 0.7, the natural frequency for WGPL = 0.05 is 8% and 14% less than its for WGPL = 0.06 and WGPL = 0.07, respectively. The results show that with an increment in the length and width of GPLs, the natural frequency increases because the stiffness of micro structures enhances and vice versa for thickness of GPLs. It can be seen that the natural frequency for aGPL = 25 ㎛ and hc/h = 0.6 is 0.3% and 1% more than the one for aGPL = 5 ㎛ and aGPL = 1 ㎛, respectively.
The vibration of elastically supported bidirectional functionally graded (BDFG) sandwich beams on an elastic foundation is investigated. The sandwich structure is composed of upper and lower layers of BDFG material and the core layer of isotropic material. Material properties of upper and lower layers are assumed to vary continuously along the length and thickness of the beam with a power-law function. Hamilton's principle is used to deduce the vibration equations of motion of the sandwich Timoshenko beam. Then, the partial differential equation of motion is spatially discretized into a time-varying ordinary differential equation in terms of Chebyshev differential matrices. The eigenvalue equation associated with the free vibration is formulated to study the influence of various slenderness ratios, material gradient indexes, thickness ratios, foundation and support spring constants on the vibration frequency of BDFG sandwich beams. The present method can provide researchers with deep insight into the impact of various geometric, material, foundation and support parameters on the vibration behavior of BDFG sandwich beam structures.
The pointwise equilibrium polynomial (PEP) element considering local second-order effect has been widely used in direct analysis of many practical engineering structures. However, it was derived according to Euler-Bernoulli beam theory and therefore it cannot consider shear deformation, which may lead to inaccurate prediction for deep beams. In this paper, a novel beam-column element based on Timoshenko beam theory is proposed to overcome the drawback of PEP element. A fifth-order polynomial is adopted for the lateral deflection of the proposed element, while a quadric shear strain field based on equilibrium equation is assumed for transverse shear deformation. Further, an additional quadric function is adopted in this new element to account for member initial geometrical imperfection. In conjunction with a reliable and effective three-dimensional (3D) co-rotational technique, the proposed element can consider both member initial imperfection and transverse shear deformation for second-order direct analysis of frame structures. Some benchmark problems are provided to demonstrate the accuracy and high performance of the proposed element. The significant adverse influence on structural behaviors due to shear deformation and initial imperfection is also discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.3
no.4
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pp.109-122
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1983
An accurate thick beam element (TB4) which includes the effects of the shear deformation and rotatory inertia has been degenerated from the three dimensional continuum by employing the Timoshenko beam assumptions. The proposed TB4 element has four nodes and two degrees of freedom at each node, totally eight degrees of freedom. The transverse deflection W and plane rotation ${\theta}$ with the cubic interpolation functions are selected as nodal variables. The element characteristics are formulated by discretizing the beam equations of motion, using the Galerkin weighted residual method, and are numerically integrated by the reduced shear integration technique, using the three-point Gauss quadrature with the various shear coefficients. Several numerical examples are analyzed to demonstrate the accuracy and the monotonic convergence behavior of the proposed TB4 beam element. The result indicates that the TB4 element shows the more excellent performance and the monotonic convergence behavior than the other existing Timoshenko beam type elements for the whole range of the beam aspect ratios, in both static and free vibration analyses.
This paper introduces modeling and its modal analysis procedure for exact and closed form solution of in-plane vibrations of general Timoshenko frame structures using exact dynamic element method(EDEM). The derivation procedure of the exact system dynamic matrices for Timoshenko beam frames is described. A new modal analysis procedure is also proposed since the conventional modal analysis schemes are not adequate for the proposed, exact system dynamic matrix. The proposed method provides exact modal parameters as well as all kinds of closed form solutions for general frame structures. Two numerical examples are presented for validating and illustrating the proposed method. The numerical study proves that the proposed method is useful for dynamic analysis of frame structures.
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