This study purports to analyze equally stressed surfaces in tension-membrane structures through a geometrically nonlinear approach. It adopts the formulation of a 4-node quadrilateral isoparametric plane stress element considering the orthotropic characteristic of membrane textures. Tension structures, which include cables and tension membranes, such as a cable dome initially exhibit unstable conditions because no initial internal stiffness such as bending stiffness is present. Such a structural system requires prestressing to the tension members to attain a stable state. A tension-membrane structure retains a stable three dimensional curved surface as a structural shape. This analytical process for finding the geometry is referred to as Shape Finding Analysis. In order to assess the validity of this study, we examine equally stressed surfaces of saddle and catenary shape shell structures and carry out pertinent stress analyses
A finite element analysis is performed for lateral buckling problems on the basis of a geometrically nonlinear formulation for a beam with small elastic strain but with possibly large rotations. The total Lagrangian formulation for a general large deformation, which involves finite rotations, is chosen and the exponential map is used to treat finite rotations from the Eulerian point of view. For lateral buckling, the point of vanishing determinant of the resulting unsymmetric tangent stiffness is traced to examine its relationship to bifurcation points. It is found that the points of vanishing determinant is not corresponding to bifurcation points for large deformations in general, which suggests that the present unsymmetric tangent stiffness is not an exact first derivative of internal forces with respect to displacement. This is illustrated through several numerical examples and followed by appropriate discussion.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.7
s.178
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pp.1721-1730
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2000
An eccentric degenerated shell element with geometric non-linearity for the precise and efficient analysis of stiffened shell structures is developed. To deal with the eccentricity, we define the e ccentric shell and the master shell that constitute one combined shell. It is assumed that the sections remain plane after deformation. The internal force vector and the tangent stiffness matrix based on the virtual work principle in the natural coordinate system are derived. To enhance the robustness of the element, assumed strain method for transverse shear and membrane strains is used. Through numerical experiments the effectiveness of the proposed element is demonstrated.
El houcine, Mourid;Said, Mamouri;Adnan, Ibrahimbegovic
Coupled systems mechanics
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v.7
no.2
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pp.111-139
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2018
A successful methodology for modelling controlled destruction and progressive collapse of 2D reinforced concrete frames is presented in this paper. The strategy is subdivided into several aspects including the failure mechanism creation, and dynamic motion in failure represented with multibody system (MBS) simulation that are used to jointly capture controlled demolition. First phase employs linear elasto-plastic analysis with isotropic hardening along with softening plastic hinge concept to investigate the complete failure of structure, leading to creation of final failure mechanism that behaves like MBS. Second phase deals with simulation and control of the progressive collapse of the structure up to total demolition, using the nonlinear dynamic analysis, with conserving/decaying energy scheme which is performed on MBS. The contact between structure and ground is also considered in simulation of collapse process. The efficiency of the proposed methodology is proved with several numerical examples including six story reinforced concrete frame structures.
Shell structures are very interesting from the design point of view and these are well recognized in the scientific literature. In this paper the analysis of the buckling loads and stability paths of a sandwich conical shell with unsymmetrical faces under combined load based on the assumptions of moderately large deflections (geometrically nonlinear theory) is considered and elastic-plastic properties of the material of the faces are taken into considerations. External load is assumed to be two-parametrical one and it is assumed that the shell deforms into the plastic range before buckling. Constitutive relations in the analysis are those of the Nadai-Hencky deformation theory of plasticity and Prandtl-Reuss plastic flow theory with the H-M-H (Huber-Mises-Hencky) yield condition. The governing stability equations are obtained by strain energy approach and Ritz method is used to solve the equations with the help of analytical-numerical methods using computer.
This paper presents a numerical model for buckling analysis of slender piles, such as micropiles. The model incorporates geometric nonlinearities to provide enhanced accuracy and a more comprehensive representation of pile buckling behavior. Specifically, the pile is represented using geometrically nonlinear beams with the von Karman deformation measure. The lateral support provided by the surrounding soil is modeled using the spring approach, with the spring stiffness determined according to the undrained shear strength of the soil. The numerical model is tested across a wide range of pile slenderness ratios and undrained shear strengths of the surrounding soil. The numerical results are validated against analytical solutions. Furthermore, the influence of various pile bottom end boundary conditions on the critical buckling force is investigated. The implications of the obtained results are thoroughly discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.1
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pp.57-69
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1990
The static nonlinear analysis of offshore pipeline is carried out by the finite element method. The governing equilibrium equation are derived by the principle of minimum potential energy and the modified Newton-Raphson procedure is used to solve the system of nonlinear algebraic equation. Geometrically nonlinear beam elements and spring elements are utilized to model the pipeline, stinger, pipe supports and seabed simultaneously. The beam element developed can be used to model redundant structures. It provides for both the torsional deformation and elongation of pipeline, and permits the use of different physical properties in each principal direction. The validity of this method is investigated by comparing the results with these obtained by other methods.
In order to trace the lateral post-buckling behaviors of thin-wafled space frames, a geometrically nonlinear finite element formulation is presented by applying incremental equilibrium equations based on the updated Lagrangian formulation and introducing Vlasov's assumption. The improved displacement field for symmetric thin-walled cross sections is introduced based on inclusion of second order terms of finite rotations, and the potential energy corresponding to the semitangential rotations and moments is consistently derived. For finite element analysis, tangent stiffness matrices of the thinwalled space frame element with 7 degrees of freedom including the restrained warping for each node are derived by using the Hermition polynomials as shape functions. A co-rotational formulation in order to evaluate the unbalanced loads is presented by separating the rigid body rotations and pure deformations from incremental displacements and evaluating the updated direction cosines of the frame element due to rigid body rotations and incremental member forces from pure deformations. Finite element solutions for the spatial buckling and post-buckling analysis of thin-walled space frames are presented and compared with available solutions and other researcher's results.
This study aims to accurately predict the first ply failure loads of laminated composite hypar shell roofs with different boundary conditions. The geometrically nonlinear finite element method (FEM) is used to analyse different symmetric and anti-symmetric, cross and angle ply shells. The first ply failure loads are obtained through different well-established failure criteria including Puck's criterion along with the serviceability criterion of deflection. The close agreement of the published and present results for different validation problems proves the correctness of the finite element model used in the present study. The effects of edge conditions on first ply failure behavior are discussed critically from practical engineering point of view. Factor of safety values and failure zones are also reported to suggest design and non-destructive monitoring guidelines to practicing engineers. Apart from these, the present study indicates the rank wise relative performances of different shell options. The study establishes that the angle ply laminates in general perform better than the cross ply ones. Among the stacking sequences considered here, three layered symmetric angle ply laminates offer the highest first ply failure load. The probable failure zones on the different shell surfaces, identified in this paper, are the areas where non-destructive health monitoring may be restricted to. The contributions made through this paper are expected to serve as important design aids to engineers engaged in composite hypar shell design and construction.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.2
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pp.98-106
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2019
Human-powered aircraft has wings with a shape of high aspect ratio which results in large bending displacement. This paper aims to improve the structural limitation by changing an incidence angle of the wings. The tendency change of bending displacement at the wing tip is observed assuming that airfoil and cross-sectional shape of the wing is fixed, and amount of the total lift generated is satisfied. Quasi-steady lift, drag and the aerodynamic moment are distributed with regard to sections of the wing. Those are analyzed using a numerical nonlinear lifting-line method and 'geometrically exact beam' (GEB) program in EDISON. 'Variational Asymptotic Beam Sectional Analysis' (VABS) program is used to check if the present wing is structurally solid. Furthermore, the predicted tip deflections are verified by comparing with DYMORE.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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