Pakravan, Alireza;Kang, Jun Won;Newtson, Craig M.;Kallivokas, Loukas F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.51
no.4
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pp.685-705
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2014
This paper presents a new formulation for forward scalar wave simulations in semi-infinite media. Perfectly-Matched-Layers (PMLs) are used as a wave absorbing boundary layer to surround a finite computational domain truncated from the semi-infinite domain. In this work, a hybrid formulation was developed for the simulation of scalar wave motion in two-dimensional PML-truncated domains. In this formulation, displacements and stresses are considered as unknowns in the PML domain, while only displacements are considered to be unknowns in the interior domain. This formulation reduces computational cost compared to fully-mixed formulations. To obtain governing wave equations in the PML region, complex coordinate stretching transformation was introduced to equilibrium, constitutive, and compatibility equations in the frequency domain. Then, equations were converted back to the time-domain using the inverse Fourier transform. The resulting equations are mixed (contain both displacements and stresses), and are coupled with the displacement-only equation in the regular domain. The Newmark method was used for the time integration of the semi-discrete equations.
Altunisik, Ahmet Can;Bayraktar, Alemdar;Ozdemir, Hasan
Smart Structures and Systems
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v.10
no.2
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pp.131-154
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2012
In this paper, it is aimed to determine the seismic behaviour of highway bridges by nondestructive testing using ambient vibration measurements. Eynel Highway Bridge which has arch type structural system with a total length of 216 m and located in the Ayvaclk county of Samsun, Turkey is selected as an application. The bridge connects the villages which are separated with Suat U$\breve{g}$urlu Dam Lake. A three dimensional finite element model is first established for a highway bridge using project drawings and an analytical modal analysis is then performed to generate natural frequencies and mode shapes in the three orthogonal directions. The ambient vibration measurements are carried out on the bridge deck under natural excitation such as traffic, human walking and wind loads using Operational Modal Analysis. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, two output-only system identification techniques are employed namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition technique in the frequency domain and Stochastic Subspace Identification technique in time domain. Analytical and experimental dynamic characteristic are compared with each other and finite element model of the bridge is updated by changing of boundary conditions to reduce the differences between the results. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of highway bridges. After finite element model updating, maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from 23% to 3%. The updated finite element model reflects the dynamic characteristics of the bridge better, and it can be used to predict the dynamic response under complex external forces. It is also helpful for further damage identification and health condition monitoring. Analytical model of the bridge before and after model updating is analyzed using 1992 Erzincan earthquake record to determine the seismic behaviour. It can be seen from the analysis results that displacements increase by the height of bridge columns and along to middle point of the deck and main arches. Bending moments have an increasing trend along to first and last 50 m and have a decreasing trend long to the middle of the main arches.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.4
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pp.369-378
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2010
The mixed finite element analysis is the most widely used method for saturated porous media. Generally, in this method, direct method and iterative method are proposed to obtain unknown variable, however, the iterative method is recommended because the method provide numerical stability and accuracy under the material properties for solid and fluid are different. In this paper, we introduce staggered method which has strong numerical stability, and FETI(Finite Element Tearing and Interconnecting) which is one of decomposition methods are applied into the method in order to obtain numerical efficiency. In which, Lagrange Multipliers and conjugated gradient method to solve decomposed domain are proposed, and then, the proposed method is verified numerical efficiency by point to point MPI(Message Passing Interface) library.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.1
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pp.37-49
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2000
This paper is for the first essential study on the development of unified finite element formulations for solving problems related to the dynamics/thermoelastics behavior of solids. In the first part of formulations, the finite element method is based on the introduction of a new quantity defined as heat displacement, which allows the heat conduction equations to be written in a form equivalent to the equation of motion, and the equations of coupled thermoelasticity to be written in a unified form. The equations obtained are used to express a variational formulation which, together with the concept of generalized coordinates, yields a set of differential equations with the time as an independent variable. Using the Laplace transform, the resulting finite element equations are described in the transform domain. In the second, the Laplace transform is applied to both the equation of heat conduction derived in the first part and the equations of motions and their corresponding boundary conditions, which is referred to the transformed equation. Selections of interpolation functions dependent on only the space variable and an application of the weighted residual method to the coupled equation result in the necessary finite element matrices in the transformed domain. Finally, to prove the validity of two approaches, a comparison with one finite element equation and the other is made term by term.
Finite element model updating is very effective procedure to determine the uncertainty parameters in structural model and minimize the differences between experimentally and numerically identified dynamic characteristics. This procedure can be practiced with manual and automatic model updating procedures. The manual model updating involves manual changes of geometry and analyses parameters by trial and error, guided by engineering judgement. Besides, the automated updating is performed by constructing a series of loops based on optimization procedures. This paper addresses the ambient vibration based finite element model updating of long span reinforced concrete highway bridges using manual model updating procedure. Birecik Highway Bridge located on the $81^{st}km$ of Şanliurfa-Gaziantep state highway over Firat River in Turkey is selected as a case study. The structural carrier system of the bridge consists of two main parts: Arch and Beam Compartments. In this part of the paper, the arch compartment is investigated. Three dimensional finite element model of the arch compartment of the bridge is constructed using SAP2000 software to determine the dynamic characteristics, numerically. Operational Modal Analysis method is used to extract dynamic characteristics using Enhanced Frequency Domain Decomposition method. Numerically and experimentally identified dynamic characteristics are compared with each other and finite element model of the arch compartment of the bridge is updated manually by changing some uncertain parameters such as section properties, damages, boundary conditions and material properties to reduce the difference between the results. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of long span highway bridges. Maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from %49.1 to %0.6 by model updating. Also, a good harmony is found between mode shapes after finite element model updating.
The finite element based lattice Boltzmann method (FELBM) has been developed to model complex fluid domain shapes, which is essential for studying fluid-structure interaction problems in commercial nuclear power systems, for example. The present study addresses a new finite element formulation of the lattice Boltzmann equation using a general weighted residual technique. Among the weighted residual formulations, the collocation method, Galerkin method, and method of moments are used for finite element based Lattice Boltzmann solutions. Different finite element geometries, such as triangular, quadrilateral, and general six-sided solids, were used in this work. Some examples using the FELBM are studied. The results were compared with both analytical and computational fluid dynamics solutions.
One of the major divisions in the mathematical modelling of a tubular structure is to include the effect of the transverse shear stress and rotary inertia in vibration of members. During the past three decades, problems of vibration of tubular structures have been considered by some authors, and special attention has been devoted to the Timoshenko theory. There have been considerable efforts, also, to apply the method of spectral analysis to vibration of a structure with rectangular section beams. The purpose of this paper is to compare the results of the spectrally formulated finite element analyses for the Timoshenko theory with those derived from the conventional finite element method for a tubular structure. The spectrally formulated finite element starts at the same starting point as the conventional finite element formulation. However, it works in the frequency domain. Using a computer program, the proposed formulation has been extended to derive the dynamic response of a tubular structure under an impact load.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.567-574
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2006
We present applications of MLS-based finite elements, which enable us to easily treat highly complex nonmatching finite element meshes and discontinuities. The shape functions of MLS-based finite element can be easily generated with the aid of Moving Least Square approximation on the parental domain. The major advantage includes that the position of element nodes as well as the number of the element nodes can be conveniently adjusted according to the nature of the problems under consideration, so that finite-element mesh is straightforwardly adapted to evolving discontinuities and. interfaces. Furthermore, we show that the present MLS-based finite elements are efficiently applied for elastic-plastic deformations, wherein the implicit constraint of incompressibility should be properly handled.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.40
no.1
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pp.75-80
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2016
Numerical modeling based on the finite difference method has been widely used with improved computer technology. However, high-capacity computing resources are required for this technique. To overcome this limitation, we propose an algorithm the employs a logarithmic grid in conjunction with the expanding domain method. The proposed algorithm was verified through comparison with numerical results obtained with a conventional method. The results confirmed that our algorithm can improve computational efficiency.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.1
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pp.1-8
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2011
A coupled thermal/structural analysis of mechanical ablation is performed based on domain/boundary decomposition and finite element method. The ablative material non-linearity and boundary non-linearity can be easily localized within a few subdomains and/or on the boundary interfaces. An enthalpy method is applied to simplify the effect of heat of pyrolysis in the ablative subdomains. In addition, maximum in-plane shear stress is considered as a surface recession criterion for the mechanical ablation simulation. The basic characteristics of the proposed method are examined carefully through numerical experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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