This paper presents a new nonlinear analysis algorithm which uses the equivalent nodal load for the element stiffness. The equivalent nodal load represents the influence of the stiffness change such as the addition of elements, the deletion of elements, and/or the partial change of element stiffness. The nonlinear analysis of structures using the equivalent load improves the efficiency very much because the inverse of the structural stiffness matrix, which needs a large amount of computation to calculate, is reused in each loading step. In this paper, the concept of nonlinear analysis using the equivalent load for the element stiffness is described and some numerical examples are provided to verify it.
In the famous equivalent elasticity modulus method proposed by Ernst for the geometrical nonlinear analysis of stay cables, the cable shape was assumed as a parabolic curve, and only a part of the gravity load normal to the chord was taken into account with the other part of gravity load parallel to the chord being ignored. Using the actual catenary curve and considering the entire gravity load of stay cables, the present study has derived the equivalent stiffness method to analyze the sag effect of stay cables in cable-stayed bridges. The derived equivalent stiffness can be degenerated into Ernst's equivalent elasticity modulus method with some approximations. Therefore, the Ernst's method is a special and approximate formulation of the present method. The derived equivalent stiffness provides a theoretical explanation for the famous Ernst's formula.
본 연구에서는 요소의 추가 및 제거 또는 부분적인 강성 변경이 있을 때, 이러한 강성 변경이 전체 구조물의 거동에 미치는 영향을 하중으로 표현한 강성등가하중을 제안한다. 강성등가하중에 의한 재해석은 초기 구조물을 대상으로 하므로 이미 계산된 강성행렬 및 역행렬을 다시 사용할 수 있어 재해석 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 강성등가하중의 개념을 정의하고 간단한 병렬 스프링 구조물을 이용하여 강성등가하중 산정 가능성에 대하여 우선 기술한다. 다음으로 일반적인 골조 구조물에서 강성 변경에 대한 강성등가하중 산정 절차를 제안하고, 마지막으로 몇몇 강성 변경 사례에 대한 강성등가하중 산정 및 해석결과를 제시함으로써 제안된 기법을 검증한다. 강성등가하중은 향후 비선형해석, 구조물 거동및 응력 제어 등 다양한 문제에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The goal of this paper is to develop a rational static method which consider efficiently the dynamic effect of the gravity load following sudden removal of element. For this goal this paper introduce the equivalent load for element stiffness which is a preceding research result and will develop equivalent static analysis which will be able to predict the maximum behavior considering dynamic effect. Some examples are provided to verify it. Equivalent static analysis is compared with the analysis method which is recommended by the GSA2003 guidelines and the time-history analysis which is the most accurate for dynamic behavior.
This paper presents a new nonlinear analysis algorithm which uses the equivalent nodal load for the element stiffness. The equivalent nodal load represents the influence of the stiffness change such as the addition of elements, the deletion of elements, and/or the partial change of element stiffness. The nonlinear analysis of structures using the equivalent load improves the efficiency very much because the inverse of the structural stiffness matrix, which needs a large amount of computation to calculate, is reused in each loading step. In this paper, the concept of nonlinear analysis using the equivalent load for the element stiffness is described and some numerical examples are provided to verify it.
An analyical method is proposed to construct a clamp jointed structure as an equivalent stiffness matrix element in the finite element modal analysis of a complex beam structure. Static structural analysis was first made for the detail finite element model of the clamp joint. Utilizing the results of this analysis, the equivalent stiffness matrix element was buildup by using the flexibility influence coefficient method and Guyan condensation. The proposed method was applied to finite element modal analysis of a clamp jointed cantilever beam. And the finite element analysis results were compared to those experimental modal analysis. Comparison shows doog agreement each other Furthermore the effects of normal contact(or clamping) load on the equivalent stiffness matrix was also examined. The equivalent stiffness matrix showed little change in spite of the remakable increase in the contact load on the clamp joint.
Recently, the trend is emerging a variety of irregular tall buildings. It is important to design the building for lateral load according to this trend. Fluid Structure Interaction(FSI) simulation can be performed to understand the vibrations of the structure against dynamic wind loads. In order to make the physical characteristics of the actual structure and the analytical model the same, we studied core inserting equivalent stiffness modeling method. As a result of this analysis, the stiffness of the structure can be set similar to that of the two axes of the structure, and turbulence can be reproduced through the acceleration tendency.
A equivalent stiffness modeling has been performed for extracting the equivalent stiffness properties which are orthotropic elastic model from a large scale wind turbine rotor blade so that structure model can be constructed more simply for the three dimensional static aeroelastic analysis. In order to present the procedure of equivalent stiffness modeling, NREL 5MW class wind turbine rotor having the three stiffness information which are flapewise, edgewise and torsional stiffness was chosen. This method is based on applying unit moment at the tip of the blade as well as fixing all degree of freedom at the blade root and calculating the displacement from the load analysis to obtain the elastic modulus corresponding to equivalent stiffness referred to the NREL reports on blade divided into 5 sections respectively. In addition, one section was divided into 3 parts and the trend functions were used to make the equivalent stiffness model more correctly and quickly. Through the comparison of stiffness between the reference values and calculated values from equivalent stiffness model, the investigation of the accuracy on the stiffness values and the efficiency for constructing the model was conducted.
Flat-plate buildings are commonly modeled as two-dimensional frames to calculate lateral drift, unbalanced moments, and shear at slab-column connections. For gravity loads. the slab-column frames are analyzed using equivalent column approach, while equivalent beam approach is typical for lateral loads. The equivalent beam approach is convenient for computer analysis, but no rational procedure exists for determining the effective width of foor slabs. At present, the determination of the equivalent slab width and its stiffness is a matter of engineering judgement. To account for cracking, overly conservative assumptions are made regarding the stiffness of the slab. A rational approach is therefore needed to realistically estimate the equivalent slab width and its stiffness for unbalanced moment and lateral drift calculations. Based on the test results of 8 interior slab-column connections, an equivalent beam model is proposed in which columns are modeled conventionally as a function of column and slab aspect ratios and the magnitude of the gravity load. the proposed approach is verified with selected experimental results and is founded to be practical and convenient for analyzing flat-plate buildings subjected to gravity and lateral loading.
본 연구에서는 새로운 비선형해석 알고리즘인 적응형 Newton-Raphson 반복기법을 제안한다. 제안된 기법은 기존 Newton-Raphson 기법을 근간으로 적응형 부구조물화 기법을 이용하여 강성등가하중을 구하고, 이미 역행렬이 계산되어 있는 초기강성행렬에 강성등가하중을 적용하여 보정변위를 구하는 것으로 요약된다. 제안된 알고리즘의 가장 큰 특징은 하중 구간의 수에 관계없이 구조물 강성행렬에 대한 역행렬 계산을 단 한번만 수행한다는 것이다. 제안된 기법의 효율성은 강성행렬 및 역행렬 계산 후 부재강성행렬이 변경된 부재들이 연결된 자유도 수와 전체 자유도 수의 비율에 직접 관계된다. 이 비율에 따라 제안된 기법을 기존 비선형해석 기법과 보완적으로 사용함으로써 전체 비선형해석 효율을 향상시킬 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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