In this paper, dynamic and static bending of ball modelled by nanocomposite microbeam by nanoparticles seeing agglomeration is presented. The structural damping is considered by Kelvin-Voigt model. The agglomeration effects are assumed using Mori-Tanaka model. The football ball is modeled by third order shear deformation theory (TSDT). The motion equations are derived by principle of Hamilton's and energy method assuming size effects on the basis of Eringen theory. Using differential quadrature method (DQM) and Newmark method, the static and dynamic deflections of the structure are obtained. The effects of agglomeration and CNTs volume percent, damping of structure, nonlocal parameter, length and thickness of micro-beam are presented on the static and dynamic deflections of the nanocomposite structure. Results show that with increasing CNTs volume percent, the maximum dimensionless dynamic deflection is reduced about 17%. In addition, assuming CNTs agglomeration increases the dimensionless dynamic deflection about 14%. It is also found that with increasing the CNTs volume percent from 0 to 0.15, the static deflection is decreased about 3 times due to the enhance in the stiffness of the structure. In addition, with enhancing the nonlocal parameters, the dynamic deflection is increased about 3.1 times.
The building sector has seen a huge increase in the use of lightweight concrete recently, which might result in saving in both cost and time. As a result, the study has been done on various types of concrete, including lightweight (LC), heavyweight (HC), and ordinary concrete (OC), to understand how they react to earthquake loads. The comparisons between their responses have also been taken into account in order to acquire the optimal reaction for various materials in building work. The findings demonstrate that LWC building models are more earthquake-resistant than the other varieties due to the reduction in building weight which can be a curial factor in the resistance of earthquake forces. Another crucial factor that was taken into study is the combination of various types of concrete [HC, LC, and OC] in the structural components. On the other hand, the bending moments and shear forces of LC had reduced to 17% and 19%, respectively, when compared to OC. Otherwise, the bending moment and shear force demand responses in the HC model reach their maximum values by more than 34% compared to the reference model OC. In addition, the results show that the LCC-OCR (light concrete column and ordinary concrete roof) and OCC-LCR (ordinary concrete for the column and light concrete for the roof) models' responses have fewer values than the other types.
Linfeng Lu;Songlin Ding;Yuzhou Liu;Zhaojia Chen;Zhongpeng Li
Steel and Composite Structures
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v.47
no.3
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pp.375-382
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2023
The H-shaped steel beam is popular due to its ease of manufacturing and connection to the column. This profile, which is used as a shallow beam, needs the high weak-axis bending stiffness and torsional stiffness to meet the overall stability. Achieving the local beam flange stability, bearing capacity, bending stiffness, and torsional requirements need a great thickness and width of the beam flange, which causes, which will cause more uneconomical structural design. So, the box-section beam is the ideal alternative. However, the current design specifications do not have design rules for the bolt-and-welded connection of the box-section beam and box-section column. The paper proposes a novel bolt-and-welded connection of the box-section beams and box-section columns based on a high-rise structural design scheme. Three connection models, BASE, WBF, and RBS, are analyzed under cyclic loading in ABAQUS software. The failure modes, hysteresis response, bearing capacity, ductility, plastic rotation angle, energy dissipation, and stiffness degradation of all models are determined and compared. Compared with the other two models, the model WBF exhibited excellent seismic performance, ductility, and plastic rotation ability. Finally, model WBF was chosen as the connection scheme used in the project design.
This paper is first implemented with the bending behavior of three-dimensional functionally graded (3DFG) plates in the framework of level set-based topology optimization (LS-based TO). Besides, due to the suitable properties of the current design domain, the thin-plate spline (TPS) is recognized as a RBF to construct the LS function. The overall mechanical properties of the 3DFG plate are assessed using a power-law distribution scheme via Mori-Tanaka micromechanical material model. The bending response is obtained using the first-order shear deformation theory (FSDT). The mixed interpolation of four elements of tensorial components (MITC4) is also implemented to overcome a well-known shear locking problem when the thickness becomes thinner. The Hamilton-Jacobi method is utilized in each iteration to enforce the necessary boundary conditions. The mathematical formulas are expressed in great detail for the LS-based TO using 3DFG materials. Several numerical examples are exhibited to verify the efficiency and reliability of the current methodology with the previously reported literature. Finally, the influences of FG materials in the optimized design are explained in detail to illustrate the behaviors of optimized structures.
Bin Du;Bo Hao;Xuejing Duan;Wanjiong Wang;Mohammad Roohani
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.4
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pp.397-408
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2024
Buried box culverts are crucial elements of transportation infrastructure. However, their behavior under foundation loads is not well understood, indicating a significant gap in existing research. This study aims to bridge this gap by conducting a detailed numerical analysis using the Finite Element Method and Abaqus software. The research evaluates the behavior of buried box culverts by examining their interaction with surrounding soil and the pressures from surface foundation loads. Key variables such as embedment depth, culvert wall thickness, concrete material properties, foundation pressure, foundation width, soil elastic modulus, and friction angle are altered to understand their combined effects on structural response. The methodology employs a validated 2D numerical model under plane strain conditions. Parametric studies highlight the critical role of culvert depth (H) in influencing earth pressure and bending moments. Foundation pressure and width demonstrate complex interdependencies affecting culvert behavior. Variations in culvert materials' elastic modulus show minimal impact. It was found that the lower wall of the buried culvert experiences higher average pressure compared to the other two walls, due to the combined effects of the culvert's weight and down drag forces on the side walls. Furthermore, while the pressure distribution on the top and bottom walls is parabolic, the pressure on the side walls follows a different pattern, differing from that of the other two walls.
In this research the hygro-thermo-mechanical loading and micromechanical model effects on bending behavior of functionally graded material plates resting on Winkler and Pasternak elastic foundations, the higher order shear deformation theory is used here. The material properties of the plate: young's modulus, thermal coefficient and moisture expansion coefficient are assumed to be graded in the thickness direction according to various micromechanical models starting with the Voigt's model which is commonly used in most functionally graded plates studies to the Reuss's, LRVE's and Mori-Tanaka's models. The principle of virtual displacement is used to determine the equilibrium equations and the a several numerical results are given to validate the precision of the present method for bending behavior of FGM plates subjected to hygro-thermo-mechanical loading resting on elastic foundations. Afterwards, a parametric study is conducted to determine the effect of different parameters on the deflection of the FGM plates like micromechanical models, type of loading and plate geometry. In the lights of the present research, it can be concluded that the present theory is accurate and simple in predicting the deflection behavior of functionally graded plates under hygro-thermo-mechanical effects and micromechanical models.
A series of coupled time domain simulations considering stochastic waves and wind based on five 1-h time-domain analyses are performed in normal operating conditions. Power performance and tower base Fore-Aft bending moment and pitching motion response of the floating spar-buoy wind turbine with 2 MW direct-drive PMSG have been analyzed by using HAWC2 that account for aero-hydro-servo-elastic time domain simulations. When the floating spar-buoy wind turbine is tilted in the wind direction, maximum of platform pitching motion is close to $4^{\circ}$. Statistical characteristics of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine are compared to that of land-based wind turbine. Maximum of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine and land-based wind is 94,448 kNm, 40,560 kNm respectively. This results is due to changes in blade pitch angle resulting from relative motion between wave and movement of the floating spar-buoy wind turbine.
Bouafia, Khadra;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Benzair, Abdelnour;Tounsi, Abdelouahed
Smart Structures and Systems
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v.19
no.2
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pp.115-126
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2017
In this paper, size dependent bending and free flexural vibration behaviors of functionally graded (FG) nanobeams are investigated using a nonlocal quasi-3D theory in which both shear deformation and thickness stretching effects are introduced. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present theory incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a hyperbolic variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FG nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The neutral surface position for such FG nanobeams is determined and the present theory based on exact neutral surface position is employed here. The governing equations are derived using the principal of minimum total potential energy. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and dynamic responses of the FG nanobeam are discussed in detail. A detailed numerical study is carried out to examine the effect of material gradient index, the nonlocal parameter, the beam aspect ratio on the global response of the FG nanobeam. These findings are important in mechanical design considerations of devices that use carbon nanotubes.
In this paper, a new displacement field based on quasi-3D hybrid-type higher order shear deformation theory is developed to analyze the static and dynamic response of exponential (E), power-law (P) and sigmoïd (S) functionally graded beams. Novelty of this theory is that involve just three unknowns with including stretching effect, as opposed to four or even greater numbers in other shear and normal deformation theories. It also accounts for a parabolic distribution of the transverse shear stresses across the thickness, and satisfies the zero traction boundary conditions at beams surfaces without introducing a shear correction factor. The beam governing equations and boundary conditions are determined by employing the Hamilton's principle. Navier-type analytical solutions of bending and free vibration analysis are provided for simply supported beams subjected to uniform distribution loads. The effect of the sigmoid, exponent and power-law volume fraction, the thickness stretching and the material length scale parameter on the deflection, stresses and natural frequencies are discussed in tabular and graphical forms. The obtained results are compared with previously published results to verify the performance of this theory. It was clearly shown that this theory is not only accurate and efficient but almost comparable to other higher order shear deformation theories that contain more number of unknowns.
This paper considers the solution of the stochastic differential equations (SDEs) with random operator and/or random excitation using the spectral SFEM. The random system parameters (involved in the operator) and the random excitations are modeled as second order stochastic processes defined only by their means and covariance functions. All random fields dealt with in this paper are continuous and do not have known explicit forms dependent on the spatial dimension. This fact makes the usage of the finite element (FE) analysis be difficult. Relying on the spectral properties of the covariance function, the Karhunen-Loeve expansion is used to represent these processes to overcome this difficulty. Then, a spectral approximation for the stochastic response (solution) of the SDE is obtained based on the implementation of the concept of generalized inverse defined by the Neumann expansion. This leads to an explicit expression for the solution process as a multivariate polynomial functional of a set of uncorrelated random variables that enables us to compute the statistical moments of the solution vector. To check the validity of this method, two applications are introduced which are, randomly loaded simply supported reinforced concrete beam and reinforced concrete cantilever beam with random bending rigidity. Finally, a more general application, randomly loaded simply supported reinforced concrete beam with random bending rigidity, is presented to illustrate the method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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