A finite element procedure for the analysis of rubber-like hyperelastic material is developed. The volumetric incompressiblity conditions of the rubber deformation is included in the formulation by using penalty method. In this paper, the behavior of the rubber deformation is represented by hyperelastic constitutive relations based on a generalized Mooney-Rivlin model. The principle of virtual work is used to derive nonlinear finite element equation for the large displacement problem and presented in total-Lagrangian description. The finite element procedure using analytic differentiation resulted in very close solution to the result of the well known commercial packages NISAII AND ABAQUS. Numerical tests show that the results from the numerical differentiation method coincide very well with those from the analytic method and the well known commercial packages in static analysis. The convergency of rubber usingν iteration method is also discussed.
This paper proposes an extension of the Improved Forced Based Design procedure to 3D steel structures. The Improved Forced Based Design (IFBD) procedure consists of a more rational sequence of the design checks proposed in Eurocode 8 and involves a more realistic selection of the behaviour factor instead of selecting an empirical value based on the ductility class and lateral resisting system adopted. The design procedure was tested on a group of four 3D steel structures, composed by moment-resisting frames with three storeys height and the same plan configuration in all storeys. The plan configuration was defined in order to target lateral restrained or unrestrained systems as well as plan regular or irregular structures. The same group of structures was also designed according to the force-based process prescribed in Eurocode 8. The member sizes obtained through the two approaches were compared and the seismic performance was assessed through nonlinear static and time-history analyses. The limit states referred to structural and non-structural damage, considering the two levels design approach, which are the serviceability and the ultimate limit states, were examined. The results obtained reveal that the IFBD leads to more economical structures that still comply with the performance requirements prescribed in Eurocode 8.
Kara, Ilker Fatih;Ashour, Ashraf F.;Dundar, Cengiz
Structural Engineering and Mechanics
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제63권5호
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pp.669-681
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2017
The design of reinforced concrete buildings must satisfy the serviceability stiffness criteria in terms of maximum lateral deflections and inter story drift in order to prevent both structural and non-structural damages. Consideration of plastic hinge formation is also important to obtain accurate failure mechanism and ultimate strength of reinforced concrete frames. In the present study, an iterative procedure has been developed for the analysis of reinforced concrete frames with cracked elements and consideration of plastic hinge formation. The ACI and probability-based effective stiffness models are used for the effective moment of inertia of cracked members. Shear deformation effect is also considered, and the variation of shear stiffness due to cracking is evaluated by reduced shear stiffness models available in the literature. The analytical procedure has been demonstrated through the application to three reinforced concrete frame examples available in the literature. It has been shown that the iterative analytical procedure can provide accurate and efficient predictions of deflections and ultimate strength of the frames studied under lateral and vertical loads. The proposed procedure is also efficient from the viewpoint of computational time and convergence rate. The developed technique was able to accurately predict the locations and sequential development of plastic hinges in frames. The results also show that shear deformation can contribute significantly to frame deflections.
In this research, an approach combining a semi-analytical method and an analytical method is presented to investigate the static and dynamic post-buckling behavior of the sandwich functionally graded (FG) porous cylindrical shells exposed to external pressure. The sandwich cylindrical shell considered is composed of a viscoelastic core and two FG porous (FGP) face layers. The viscoelastic core is made of Kelvin-Voigt-type material. The material properties of the FG porous face layer are considered continuous through each face thickness according to a porosity coefficient and a volume fraction index. Two types of sandwich FG porous viscoelastic cylindrical shells named Type A and Type B are considered in the research. Type A shell has the porosity evenly distributed across the thickness direction, and Type B has the porosity unevenly distributes across the thickness direction. The FG face layers are considered in two cases: outside metal surface, inside ceramic surface (OMS-ICS), and inside metal surface, outside ceramic surface (IMS-OCS). According to Donnell shell theory, von-Karman equation, and Galerkin's method, a discretized nonlinear governing equation is derived for analyzing the behavior of the shells. The explicit expressions for static and dynamic critical buckling loading are thus developed. To study the dynamic buckling of the shells, the governing equation is examined via a numerical approach implementing the fourth-order Runge-Kutta method. With a procedure presented by Budiansky-Roth, the critical load for dynamic post-buckling is obtained. The effects of various parameters, such as material and geometrical parameters, on the post-buckling behaviors are investigated.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제9권2호
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pp.133-143
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2015
This paper describes the test results and nonlinear analysis of reinforced concrete T-beams strengthened by bonded steel plates under increasing static loading conditions. The first part of this paper discusses the flexural tests on five T-beams, including the test model design (based on similarity principles), test programs, and test procedure. The second part discusses the nonlinear numerical analysis of the strengthened beams, in which a concrete damage plasticity model and a cohesive behavior were adopted. The numerical analysis results are compared with experimental data and show good agreement. The area of bonded steel plate and the anchor bolt spacing were found to have an impact on the cracking load, yield load, and ultimate load. An increase in the area of steel plate and a reduction of the anchor spacing could significantly improve the cracking and ultimate loads and decrease the damage of the beam.
In the present investigation, the nonlinear dynamic buckling of a curved plate subjected to sinusoidal loading is examined. By the theoretical analyses, a highly nonlinear snap-through motion of a clamped-free-clamped-free plate and its effect on the overall vibration response are investigated. The problem is reduced to that of a single degree of freedom system with the Rayleigh-Ritz procedure. The resulting nonlinear governing equation is solved using Runge-Kutta (RK-4) numerical integration method. The snap-through boundaries, which vary with different damping coefficient and linear circular frequency of the flat plate are studied and given in terms of force and displacement. The relationships between static and dynamic responses at the start of a snap-through motion are also predicted. The analysis brings out various characteristic features of the phenomenon, i.e. 1) small oscillation about the buckled position-softening spring type motion, 2) chaotic motion of intermittent snap-through, and 3) large oscillation of continuous snap-through motion crossing the two buckled positions-hardening spring type. The responses of buckled plate were found to be greatly affected by the snap-through motion. Therefore, better understanding of the snap-through motion is needed to predict the full dynamic response of a curved plate.
Various Pushover analysis methodologies have evolved as an easy as well as designers-friendly alternative of nonlinear dynamic analysis for estimation of the inelastic demands of structures under seismic loading for performance based design. In fact, the established nonlinear dynamic analysis to assess the same, demands considerable analytical and computational background and rigor as well as intuitive insight into inelastic behavior for judging suitability of the results and its interpretation and hence may not be used in design office for frequent practice. In this context, the simple and viable alternative of Pushover analysis methodologies can be accepted if its efficacy is thoroughly judged over all possible varieties of the problems. Though this burning issue has invited some research efforts in this direction, still a complete picture evolving very clear guidelines for use of these alternate methodologies require much more detailed studies, providing idea about how the accuracy is influenced due to various combinations of basic parameters regulating inelastic dynamic response of the structures. The limited study presented in the paper aims to achieve this end to the extent possible. The study intends to identify the range of applicability of the technique and compares the efficacy of various alternative Pushover analysis schemes to general class of problems. Thus, the paper may prove useful in judicial use of Pushover analysis methodologies for performance based design with reasonable accuracy and relative ease.
Methods based on nonlinear static analysis as simple tools could be used for the seismic analysis and assessment of structures. In the present study, capability of the N2 method as a well-known nonlinear analysis procedure examines for the estimation of the damage index of multi-storey reinforced concrete frames. In the implemented framework, equivalent single-degree-of-freedom (SDOF) models are utilized for the global damage estimation of multi-degree-of-freedom (MDOF) systems. This method does not require high computational analysis and subsequently decreases the required time of seismic design and assessment process. To develop the methodology, RC frames with period range from 0.4 to 2.0 s under 40 records are studied. The effectiveness of proposed technique is evaluated through numerical study under near- and far-field earthquake ground motions. Finally, the results of developed models are compared with two other simplified schemes along with nonlinear time history analysis results of multi-storey frames. To improve the accuracy of damage estimation, a modified relation is presented based on the N2 method results for near- and far-field earthquakes.
One of engineered woods, glued laminated timber (GLT), can provide a constant level of performance and desired strength even if the quality of wood is low. Due to this fact, there is a growing interest in GLT using domestic species and related research has been carried out continuously. In addition, GLT is popularly being applied to the long-span or high-rise structures overseas. However, KBC 2016 does not allow the engineered woods to be used for middle and high-rise buildings by limiting height. Therefore, a proper design procedure and rationale should be clearly presented by the help of performance-based seismic design. With this background, the goal of this study is to establish a specific procedure for design of a 9-story building with RC shear walls and GLT frames according to the performance-based design of KBC 2016. The performance objectives were set according to KBC and the acceptance criteria for each goal were defined. The RC shear walls and GLT frames were designed by concrete and wood structure requirements, respectively. Analytical models were developed to reflect their nonlinear features, and both nonlinear static and dynamic analyses were conducted. Performance evaluation results showed that the shear walls have insufficient shear strength, so they were re-designed. Consequently, it has been confirmed that GLT frames can be applied to a 9-story office building with the assistance of RC shear walls and performance-based seismic design.
The aim of this paper concerns with the nonlinear analysis of cable-stayed bridges including the vibration effect of cable stays. Two models for the cable stay system are built up in the study. One is the OECS (one element cable system) model in which one single element per cable stay is used and the other is MECS (multi-elements cable system) model, where multi-elements per cable stay are used. A finite element computation procedure has been set up for the nonlinear analysis of such kind of structures. For shape finding of the cable-stayed bridge with MECS model, an efficient computation procedure is presented by using the two-loop iteration method (equilibrium iteration and shape iteration) with help of the catenary function method to discretize each single cable stay. After the convergent initial shape of the bridge is found, further analysis can then be performed. The structural behaviors of cable-stayed bridges influenced by the cable lateral motion will be examined here detailedly, such as the static deflection, the natural frequencies and modes, and the dynamic responses induced by seismic loading. The results show that the MECS model offers the real shape of cable stays in the initial shape, and all the natural frequencies and modes of the bridge including global modes and local modes. The global mode of the bridge consists of coupled girder, tower and cable stays motion and is a coupled mode, while the local mode exhibits only the motion of cable stays and is uncoupled with girder and tower. The OECS model can only offers global mode of tower and girder without any motion of cable stays, because each cable stay is represented by a single straight cable (or truss) element. In the nonlinear seismic analysis, only the MECS model can offer the lateral displacement response of cable stays and the axial force variation in cable stays. The responses of towers and girders of the bridge determined by both OECS- and MECS-models have no great difference.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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