A general method is proposed for elastic stiffness analysis of the leaf type holddown springs using only the geometric data and Young's modulus of the springs. In this method, an engineering beam theory and Castigliano's theory are applied to elastic stiff analysis of the leaf type holddown springs. To show reliability and effectiveness of this method, the elastic stiffness from the proposed method is compared with test result and from the comparison, the unposed method has been proven to be effective for estimating the elastic stiffness of the leaf springs.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.589-596
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2006
An improved numerical method to obtain the exact element stiffness matrix is newly proposed to perform the spatially coupled elastic and stability analyses of non-symmetric thin-walled beam-columns with two-types of elastic foundation. This method overcomes drawbacks of the previous method to evaluate the exact stiffness matrix for the spatially coupled stability analysis of thin-walled beam-column. This numerical technique is firstly accomplished via a generalized eigenproblem associated with 14 displacement parameters by transforming equilibrium equations to a set of first order simultaneous ordinary differential equations. Then exact displacement functions are constructed by combining eigensolutions and polynomial solutions corresponding to non-zero and zero eigenvalues, respectively. Consequently an exact stiffness matrix is evaluated by applying the member force-deformation relationships to these displacement functions.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.61
no.2
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pp.41-50
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2019
Stiffness characteristic of subgrade is one of the most important aspects for the design and evaluation of pavement and railway. However, adequate field testing methods for evaluating the stiffness characteristics of the subgrade have not been developed yet. In this study, an in-situ dynamic stiffness analyzer (IDSA) is developed to evaluate the characteristics of subgrade stiffness along the depth, and its performance is evaluated in elastic materials and a compacted soil. The IDSA consists of a falling hammer system, a connecting rod, and a tip module. Four strain gauges and an accelerometer are installed at the tip of the rod to analyze the dynamic response of the tip generated by the drop of hammer. Based on the Boussinesq's method, the stiffness and Young's modulus of the specimens can be calculated. The performance of IDSA was tested on three elastic materials with different hardness and a compacted soil. For the repeatability of test performance, the dynamic signals for force and displacement of the tip are averaged from the hammer impact tests performed five times at the same drop height. The experimental results show that the peak force, peak displacement, and the duration depend on the hardness of the elastic materials. After calculating the stiffness and elastic modulus, it is revealed that as the drop height of hammer increases, the stiffness and elastic moduli of MC nylon and the compacted soil rapidly increase, while those of urethanes less increase.
Jouneghani, Habib Ghasemi;Fanaie, Nader;Haghollahi, Abbas
Steel and Composite Structures
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v.45
no.3
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pp.437-454
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2022
Elliptic-braced simple resisting frame as a new lateral bracing system installed in the middle bay of frame in building facades has been recently introduced. This system not only creates a problem for opening space from the architectural viewpoint but also improves the structural behavior. Despite the researches on the seismic performance of lateral bracing systems, there are few studies performed on the effect of the stiffness parameters on the elastic story drift and calculation of period in simple braced steel frames. To overcome this shortcoming, in this paper, for the first time, an analytical solution is presented for calculating elastic lateral stiffness in a simple steel frame equipped with elliptic brace subjected to lateral load. In addition, for the first time, in this study, a precise formulation has been developed to evaluate the elastic stiffness variation in a steel frame equipped with a two-dimensional single-story single-span elliptic brace using strain energy and Castigliano's theorem. Thus, all the effective factors, including axial and shear loads as well as bending moments of elliptic brace could be considered. At the end of the analysis, the lateral stiffness can be calculated by an improved and innovative relation through the energy method based on the geometrical properties of the employed sections and specification of the used material. Also, an equivalent element of an elliptic brace was presented for the ease of modeling and use in linear designs. Application of the proposed relation have been verified through a variety of examples in OpenSees software. Based on the results, the error percentage between the elastic stiffness derived from the developed equations and the numerical analyses of finite element models was very low and negligible.
Steel-concrete composite structures have been extensively used in building, bridges, and other civil engineering infrastructure. Shear stud connectors between steel and concrete are essential in composite members to guarantee the effectiveness of their behavior in terms of strength and deformability. This study focuses on investigating the shear stiffness of headed studs embedded in several types of concrete with wide range of compressive strength, and their effects on the elastic behavior of steel-concrete composite girders were evaluated. Firstly, totally 206 monotonic push-out tests from the literature were reviewed to investigate the shear stiffness of headed studs embedded in various types of concrete (NC, HPC, UHPC etc.). Shear stiffness of studs is defined as the secant stiffness of the load-slip curve at 0.5Vu, and a formulation for predicting defined shear stiffness in elastic state was proposed, indicating that the stud diameter and the elastic modulus of steel and concrete are the main factors. And the shear stiffness predicted by the new formula agree well with test results for studs with a diameter ranging from 10 to 30 mm in the concrete with compressive strength ranging from 22.0 to 200.0MPa. Then, the effects of shear stiffness on the elastic behaviors of composite girders with different sizes and under different loading conditions were analyzed, the equations for calculating the stress and deformation of simply supported composite girders considering the influence of connection's shear stiffness were derived under different loading conditions using classical linear partial-interaction theory. As the increasing of shear stiffness, the stress and deflection at the most unfavorable section under partial connected condition tend to be those under full connected condition, but the approaching speed decreases gradually. Finally, the connector's shear stiffness was recommended for fully connection in composite girders with different dimensions under different loading conditions. The findings from present study may provide a reference for the prediction of shear stiffness for headed studs and the elastic design of steel-concrete composite girder.
Beckerle, Philipp;Wojtusch, Janis;Rinderknecht, Stephan;von Stryk, Oskar
Smart Structures and Systems
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v.13
no.4
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pp.711-730
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2014
In this paper the system dynamic influences in actuators with variable stiffness as contemporary used in robotics for safety and efficiency reasons are investigated. Therefore, different configurations of serial and parallel elasticities are modeled by dynamic equations and linearized transfer functions. The latter ones are used to identify the characteristic behavior of the different systems and to study the effect of the different elasticities. As such actuation concepts are often used to reach energy-efficient operation, a power consumption analysis of the configurations is performed. From the comparison of this with the system dynamics, strategies to select and control stiffness are derived. Those are based on matching the natural frequencies or antiresonance modes of the actuation system to the frequency of the trajectory. Results show that exclusive serial and parallel elasticity can minimize power consumption when tuning the system to the natural frequencies. Antiresonance modes are an additional possibility for stiffness control in the series elastic setup. Configurations combining both types of elasticities do not provide further advantages regarding power reduction but an input parallel elasticity might enable for more versatile stiffness selection. Yet, design and control effort increase in such solutions. Topologies incorporating output parallel elasticity showed not to be beneficial in the chosen example but might do so in specific applications.
The purpose of this research was to investigate the cyclic behavior of the D-shaped dampers (DSD). Similarly, at first, the numerical model was calibrated using the experimental sample. Then, parametric studies were conducted in order to investigate the effect of the radius and thickness of the damper on energy dissipation, effective and elastic stiffness, ultimate strength, and equivalent viscous damping ratio (EVDR). An analytical equation for the elastic stiffness of the DSD was also proposed, which showed good agreement with experimental results. Additionally, approximate equations were introduced to calculate the elastic and effective stiffness, ultimate strength, and energy dissipation. These equations were presented according to the curve fitting technique and based on numerical results. The results indicated that reducing the radius and increasing the thickness led to increased energy dissipation, effective stiffness, and ultimate strength of the damper. On the other hand, increasing the radius and thickness resulted in an increase in EVDR. Moreover, the ratio of effective stiffness to elastic stiffness also played a crucial role in increasing the EVDR. The thickness and radius of the damper were evaluated as the most effective dimensions for reducing energy dissipation and EVDR.
The Journal of the Convergence on Culture Technology
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v.6
no.2
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pp.535-541
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2020
A conventional elastic material replacement and performance evaluation are very complicated and time-consuming, and it is difficult to know when to replace the elastic material in advance. By comparing with the product limit and the functional limit, the necessity of elastic material replacement and the improvement of track support stiffness according to replacement can be immediately demonstrated based on experimental data. Using an evaluation system of track support stiffness, the performance evaluation data for elastic materials obtained through field tests using software for track support stiffness is integrated and managed on the administrator's computer. Therefore, the replacement plan is established and maintenance history is managed by identifying the replacement time and location of elastic materials. It is possible to evaluate the performance and condition of the elastic material at the various points during the working time of the track inspection and the track performance (track support stiffness) and durability of the elastic material (aging level, spring stiffness variation rate, etc.) at the operation condition. The elastic material could be replaced timely, and the deterioration of the elastic material can be continuously monitored.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.05a
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pp.1-4
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2001
A new non-destructive fatigue prediction model of the composite laminates is developed. The natural frequencies of fatigue-damaged laminates under extensional loading are related to the fatigue lift of the laminates by establishing the equivalent flexural stiffness reduction as a function of the elastic properties of sublaminates. The flexural stiffness is derived by relating the $90^{\circ}$-ply elastic modulus reduction, and using the laminate plate theory to the degraded elastic modulus and the intact elastic modulus of other laminate. The natural frequency reduction model, in which the dominant fatigue mode can be identified from the sensitivity scale factors of sublaminate elastic properties, provides natural frequency vs. fatigue cycle curves for the composite laminates. Vibration tests were also conducted on $[\textrm{90}_{2}\textrm{0}_{2}]_s$ carbon/epoxy laminates to verify the natural frequency reduction model. Correlations between the predictions of the model and experimental results are good.
This paper presents a modeling method for the vibration analysis of rotating cantilever beams considering the elastic foundation effect. Mass and stiffness matrices are derided explicitly by considering coupling effect between stretching and bonding motion. Numerical results show that the bending direction elastic foundation stiffness influences the vibration characteristics significantly in practical range of beam configuration. The ranges of elastic foundation stiffness to avoid the dynamic buckling are also presented. The method presented in this paper can be used to predict the variations of natural frequencies of rotating cantilever beams with elastically restrained root.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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