In recent years, study of the static response of pavements to moving vehicle and aircraft loads has received significant attention because of its relevance to the design of pavements and airport runways. The static response of beams resting on an elastic foundation and subjected to moving loads was studied by several researchers in the past. However, most of these studies were limited to steady-state analytical solutions for infinitely long beams resting on Winkler-type elastic foundations. Although the modelling of subgrade as a continuum is more accurate, such an approach can hardly be incorporated in analysis due to its complexity. In contrast, the two-parameter foundation model provides a better way for simulating the underlying soil medium and is conceptually more appealing than the one-parameter (Winkler) foundation model. The finite element method is one of the most suitable mathematical tools for analysing rigid pavements under moving loads. This paper presents an improved solution algorithm based on the finite element method for the static analysis of rigid pavements under moving vehicular or aircraft loads. The concrete pavement is discretized by finite and infinite beam elements, with the latter for modelling the infinity boundary conditions. The underlying soil medium is modelled by the Pasternak model allowing the shear interaction to exist between the spring elements. This can be accomplished by connecting the spring elements to a layer of incompressible vertical elements that can deform in transverse shear only. The deformations and forces maintaining equilibrium in the shear layer are considered by assuming the shear layer to be isotropic. A parametric study is conducted to investigate the effect of the position of moving loads on the response of pavement.
A simplified rational method is developed to evaluate transverse earthquake-induced forces in continuous bridges. This method models the bridge as a beam on elastic foundation, and assumes a sinusoidal curve for both vibration mode shape and deflected shape in the transverse direction. The principle of minimum total potential is used to calculate the displacements and the earthquake-induced forces in the transverse direction. This method is concise and easy to apply, and hence, offers an attractive alternative to a lengthy and time consuming three dimensional modeling of the bridge as given by AASHTO under its Single Mode Spectral Analysis Method.
The transverse vibration of double walled carbon nanotube (DWCNT) embedded in elastic medium with an initial imperfection is considered. In this paper, Timoshenko beam theory is employed. However the nonlocal theory is used for modeling the nano scale of nanotube. In addition, the governing Equations of motion are obtained utilizing the Hamilton's principle and simply-simply boundary conditions are assumed. Furthermore, the Navier method is used for determining the natural frequencies of DWCNT. Hence, some parameters such as nonlocality, curvature amplitude, Winkler and Pasternak elastic foundations and length of the curved DWCNT are analyzed and discussed. The results show that, the curvature amplitude causes to increase natural frequency. However, nonlocal coefficient and elastic foundations have important role in vibration behavior of DWCNT with imperfection.
This paper presents the transient response analysis of a rotating blade in resonant frequency range. It is shown that the modeling is considered in elastic foundation and friction damping effect. The equations of motion are derived and transformed into a dimensionless form to investigate general phenomena. Numerical results show that the magnitude of friction damping to reduce maximum transient response in near the critical angular speed. The method can be applied to a number of examples of the practical rotating blade system to minimize transient response in resonant frequency range.
The functionally graded beam (FGB) is investigated in this study on both dynamic and static loading in case of resting on a soil medium rather than on the usual Winkler-Pasternak elastic foundation. The powerful ABAQUS software was used to model the problem applying finite element method. In the present study, two different soil models are taken into account. In the first model, the soil is assumed to be an elastic plane stress medium. In the second soil model, the Drucker-Prager yield criterion, which is one of the most well-known elastic-perfectly plastic constitutive models, is used for modelling the soil medium. The results are shown to evaluate the effects of the different soil models, stiffness values of the elastic soil medium on the normal and shear stress and free vibration properties. A comparison was made to those from the existing literature. Numerical results show that considering real soil as a continuum space affects the results of the bending and the modal properties significantly.
In this paper, nonlinear vibration of embedded nanocomposite concrete is investigated based on Timoshenko beam model. The beam is reinforced by with agglomerated silicon dioxide (SiO2) nanoparticles. Mori-Tanaka model is used for considering agglomeration effects and calculating the equivalent characteristics of the structure. The surrounding foundation is simulated with Pasternak medium. Energy method and Hamilton's principal are used for deriving the motion equations. Differential quadrature method (DQM) is applied in order to obtain the frequency of structure. The effects of different parameters such as volume percent of SiO2 nanoparticles, nanoparticles agglomeration, elastic medium, boundary conditions and geometrical parameters of beam are shown on the frequency of system. Numerical results indicate that with increasing the SiO2 nanoparticles, the frequency of structure increases. In addition, considering agglomeration effects leads to decrease in frequency of system.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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제22권1호
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pp.105-120
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2018
In this paper, the nonlinear free and forced vibration responses of sandwich nano-beams with three various functionally graded (FG) patterns of reinforced carbon nanotubes (CNTs) face-sheets are investigated. The sandwich nano-beam is resting on nonlinear Visco-elastic foundation and is subjected to thermal and electrical loads. The nonlinear governing equations of motion are derived for an Euler-Bernoulli beam based on Hamilton principle and von Karman nonlinear relation. To analyze nonlinear vibration, Galerkin's decomposition technique is employed to convert the governing partial differential equation (PDE) to a nonlinear ordinary differential equation (ODE). Furthermore, the Multiple Times Scale (MTS) method is employed to find approximate solution for the nonlinear time, frequency and forced responses of the sandwich nano-beam. Comparison between results of this paper and previous published paper shows that our numerical results are in good agreement with literature. In addition, the nonlinear frequency, force response and nonlinear damping time response is carefully studied. The influences of important parameters such as nonlocal parameter, volume fraction of the CNTs, different patterns of CNTs, length scale parameter, Visco-Pasternak foundation parameter, applied voltage, longitudinal magnetic field and temperature change are investigated on the various responses. One can conclude that frequency of FG-AV pattern is greater than other used patterns.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권1호
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pp.17-35
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2016
In this study, the dynamic behaviour of a rotating Timoshenko beam when under the actions of a variable magnitude load moving at non-uniform speed is carried out. The effect of cross-sectional dimension and damping on the flexural motions of the elastic beam was neglected. The coupled second order partial differential equations incorporating the effects of rotary and gyroscopic moment describing the motions of the beam was scrutinized in order to obtain the expression for the dynamic deflection and rotation of the vibrating system using an elegant technique called Galerkin's Method. Analyses of the solutions obtained were carried out and various results were displayed in plotted curve. It was found that the response amplitude of the simply supported beam increases with an increase in the value of the foundation reaction modulus. Effects of other vital structural parameters were also established.
Wind turbine structures are long slender columns with a rotor and blade assembly placed on the top. These slender structures vibrate due to dynamic environmental forces and its own dynamics. Analysis of the dynamic behavior of wind turbines is fundamental to the stability, performance, operation and safety of these systems. In this paper a simplied approach is outlined for free vibration analysis of these long, slender structures taking the soil-structure interaction into account. The analytical method is based on an Euler-Bernoulli beam-column with elastic end supports. The elastic end-supports are considered to model the flexible nature of the interaction of these systems with soil. A closed-form approximate expression has been derived for the first natural frequency of the system. This new expression is a function of geometric and elastic properties of wind turbine tower and properties of the foundation including soil. The proposed simple expression has been independently validated using an exact numerical method, laboratory based experimental measurement and field measurement of a real wind turbine structure. The results obtained in the paper shows that the proposed expression can be used for a quick assessment of the fundamental frequency of a wind turbine taking the soil-structure interaction into account.
As concrete is most usable material in construction industry it's been required to improve its quality. Nowadays, nanotechnology offers the possibility of great advances in construction. For the first time, the nonlinear buckling of straight concrete columns armed with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) resting on foundation is investigated in the present study. The column is modelled with Euler-Bernoulli beam theory. The characteristics of the equivalent composite being determined using the Mori-Tanaka model. The foundation around the column is simulated with spring and shear layer. Employing nonlinear strains-displacements, energy methods and Hamilton's principal, the governing equations are derived. Differential quadrature method (DQM) is used in order to obtain the buckling load of structure. The influences of volume percent of SWCNTs, geometrical parameters, elastic foundation and boundary conditions on the buckling of column are investigated. Numerical results indicate that reinforcing the concrete column with SWCNTs, the structure becomes stiffer and the buckling load increases with respect to concrete column armed with steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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