The formulation of a non-linear shear deformable shell element is presented for the solution of stability problems of stiffened plates and shells. The formulation of the geometrical stiffness presented here is exactly defined on the midsurface and is efficient for analyzing stability problems of thick plates and shells by incorporating bending moment and transverse shear resultant force. As a result of the explicit integration of the tangent stiffness matrix, this formulation is computationally very efficient in incremental nonlinear analysis. The element is free of both membrane and shear locking behaviour by using the assumed strain method such that the element performs very well in the thin shells. By using six degrees of freedom per node, the present element can model stiffened plate and shell structures. The formulation includes large displacement effects and elasto-plastic material behaviour. The material is assumed to be isotropic and elasto-plastic obeying Von Mises's yield condition and its associated flow rules. The results showed good agreement with references and computational efficiency.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.2
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pp.41-49
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1993
This paper presents a geometrically non-linear and elastoplastic F.E. formulation using a total Lagrangian approach for the two dimensional isoparametric curved beam elements. The beam element is derived by using plane stress elements. The basic element geometry is constructed using the coordinates of the nodes on the element center line and the nodal point normals. The element displacement field is described using two translations of the node on the center line and a rotation about the axes normal to the plane containing the center line of the element. The layered approach is used for the elastoplastic analysis of the plane framed structure with the arbitrary cross section. The iterative load or displacement incremental method for non-linear finite element analysis of the frame structure is used. Numerical examples are presented to demonstrate the behavior and the accuracy of the proposed beam element for geometric and elastoplastic non-linear applications. Comparisons made with present theory and other published data show that tilt' beam element products accurate results with good convergence characteristics.
The beam string structure (BSS) has been widely applied in large span roof structures, while no analytical solutions of BSS were derived for it in the existing literature. In the first part of this paper, calculation formulas of displacement and internal forces were obtained by the Ritz-method for the most commonly used arc-shaped BSS under the vertical uniformly distributed load and the prestressing force. Then, the failure mode of BSS was proposed based on the static equilibrium. On condition the structural stability was reliable, BSS under the uniformly distributed load would fail by tensile strength failure of the string, and the beam remained in the elastic or semi-plastic range. On this basis, the limit load of BSS was given in virtue of the elastic solutions. In order to verify the linear elastic and limit state solutions proposed in this paper, three BSS modal were tested and the corresponding elastoplastic large deformation analysis was performed by the ANSYS program. The proposed failure mode of BSS was proved to be correct, and the analytical results for the linear elastic and limit state were in good agreement with the experimental and FEM results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.1
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pp.1-6
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2017
This paper presents development of the nine-node co-rotational(CR) planar element applicable for elastoplastic and contact analysis. The CR formulation is one of the efficient geometrically nonlinear formulations. It is based on the assumptions of small strain and large displacement. Further, it is extended to both elastoplastic analysis and contact analysis in this paper. For accurate plastic analysis, nine-node quadrilateral element, which can provide accurate stress prediction, is chosen. Bi-linear hardening rule based on Newton- Raphson return-mapping is employed. Also, Lagrange multiplier is used in order for constraints regarding the contact analysis. The present development is validated via the time transient problems. The present results are compared with those obtained by the other existing software.
In this research, the finite element analysis of piezocone penetration and dissipation tests have been conducted using the anisotropic elastoplastic-viscoplastic bounding surface model in the Updated Lagrangian reference frame for the large deformation and finite strain nu\ature of piezocone penetration. Accordingly, virtual work equation and corresponding finite element equations have been reformulated. Theory of mixtures has been incorporated to explain the behavior of the sol. It has been observed that the viscoplastic part of the soil model affected the whole formulation. The results of the finite element analysis have been compared and investigated with the experimental results. The formulations and the results are described in part 'I' and part 'II', respectively.
This paper deals with the formulation and solution of a wide class of structures, in the presence of both geometric and material nonlinearities, as a particular mathematical programming problem. We first present key ideas for the nonholonomic (path dependent) rate formulation for a suitably discretized structural model before we develop its computationally advantageous stepwise holonomic (path independent) counterpart. A feature of the final mathematical programming problem, known as a nonlinear complementarity problem, is that the governing relations exhibit symmetry as a result of the introduction of so-called nonlinear "residuals". One advantage of this form is that it facilitates application of a particular iterative algorithm, in essence a predictor-corrector method, for the solution process. As an illustrative example, we specifically consider the simplest case of plane trusses and detail in particular the general methodology for establishing the static-kinematic relations in a dual format. Extension to other skeletal structures is conceptually transparent. Some numerical examples are presented to illustrate applicability of the procedure.
In this paper, static nonlinear analysis of gable frame is performed using OpenSees software. Both geometric and material nonlinearities are considered in analyses. To consider large displacements, co-rotational coordinate transformation is used in software. The effects of symmetric and asymmetric support conditions including clamped and simple supports are studied. On the other hand, the material nonlinearity is reflected on analyses using Giuffre-Menegotto-Pinto steel material. Note that strain hardening characteristics are also considered in this model. Moreover, I-shaped cross-section is assumed for all members. The results are provided for different geometry properties of gable frame including shallow and deep inclined roof. It should be added that buckling and post-buckling behaviors of gable frame are investigated using related equilibrium paths. A comparison study is also implemented on the responses of buckling loads obtained for different support and geometry conditions. To trace snap-through paths completely, a displacement control method entitled arc-length is utilized. Findings show the capability of proposed model in nonlinear analysis of gable frames.
This paper summarizes results of a comprehensive analytical study aimed at evaluating the influence of strong ground motion duration on residual displacement demands of single-degree-of-freedom (SDOF) and multi-degree-of-freedom (MDOF) systems. For that purpose, two sets of 20 earthquake ground motions representative of short-duration and long-duration records were considered in this investigation. While the influence of strong ground motion duration was evaluated through constant-strength residual displacement ratios, $C_r$, computed from the nonlinear response of elastoplastic SDOF systems, its effect on the amplitude and height-wise distribution of residual drift demands in MDOF systems was studied from the response of three one-bay two-dimensional generic frame models. In this investigation, an inelastic ground motion intensity measure was employed to scale each record, which allowed reducing the record-to-record variability in the estimation of residual drift demands. From the results obtained in this study, it was found that long strong-motion duration records might trigger larger median $C_r$ ratios for SDOF systems having short-to-medium period of vibration than short strong-motion duration records. However, taking into account the large record-to-record variability of $C_r$, it was found that strong motion duration might not be statistically significant for most of the combinations of period of vibration and levels of lateral strength considered in this study. In addition, strong motion duration does not have a significant influence on the amplitude of peak residual drift demands in MDOF systems, but records having long strong-motion duration tend to increase residual drift demands in the upper stories of long-period generic frames.
International Journal of Reliability and Applications
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v.17
no.2
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pp.137-147
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2016
The engine mount of a car subjected to a pre-load related to the weight of the engine, and acts to insulate the vibration coming from the engine by moving on large or small displacement depending on the driving condition of the car. The vibration insulation of the engine mount is an effect obtained by dissipating the mechanical energy into heat by the viscosity characteristic of the rubber and the microscopic behavior of the additive carbon black. Therefore, dynamic stiffness from the intrinsic properties of rubber filled with carbon black at the design stage is an important design consideration. In this paper, we introduced a hyper-elastic, visco-elastic and elasto-plastic model to predict the dynamic characteristics of rubber, and developed a fitting program to determine the material model parameters using MATLAB. The dynamic characteristics analysis of the rubber insulator of the ACTIVE MOUNT was carried out by using MSC.MARC nonlinear structural analysis software, which provides the dynamic characteristics material model. The analysis results were compared with the dynamic characteristics test results of the rubber insulator, which is one of the active mount components, and the analysis results were confirmed to be valid.
Park, Woo-Jin ;Park, Dong-Su;Shin, Mun-Beom;Seo, Young-Kyo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.39
no.5
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pp.51-63
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2023
Numerical analysis was conducted to determine the effect of soil behavior by thawing and freezing of seasonal frozen soil on pile foundations. The analysis was performed using the finite element method (FEM) to simulate soil-pile interaction based on the atmosphere temperature change. Thermomechanical coupled modeling using FEM was applied with the temperature-dependent nonlinear properties of the frozen soil. The analysis model cases were applied to the MCR and HDP models to simulate the elastoplastic behavior of soil. The numerical analysis results were analyzed and compared with various conditions having different length and width sizes of the pile. The results of the numerical analysis showed t hat t he HDP model was relat ively passive, and t he aspect and magnit ude of t he bearing capacit y and displacement of the pile head were similar depending on the length and width of the pile conditions. The vertical displacement of the pile head by thawing and freezing of the ground showed a large variation in displacement for shorter length conditions. In the MCR model, the vertical displacement appeared in the maximum thaw settlement and frost heaving of 0.0387 and 0.0277 m, respectively. In the HDP model, the vertical displacement appeared in the maximum thaw settlement and frost heaving of 0.0367 and 0.0264 m, respectively. The results of the pile bearing capacity for the two elastoplastic models showed a larger difference in the width condition than the length condition of the pile, with a maximum of about 14.7% for the width L condition, a maximum of about 5.4% for M condition, and a maximum of about 5.3% for S condition. The significance of the effect on the displacement of the pile head and the bearing capacity depended on the pile-soil contact area, and the difference depended on the presence or absence of an active layer in the soil and its thickness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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