A dynamic analysis procedure is developed to provide a comprehensive estimation of the dynamic response spectrum for locomotive's wheels running over a Pre-Stressed Concrete (PSC) box girder bridge on the Korea high speed railway. The wheel force spectrum with the bridge behavior are analyzed as the dynamic procedure for various running speeds (50~450km/h). The high-speed railway locomotive (KTX) is used as 38-degree of freedom system. Three displacements(vertical, lateral, and longitudinal) and three rotational components (pitching, rolling, and yawing). For one car-body and two bogies as well as five movements except pitching rotation components for four wheel axes forces are considered in the 38-degree of freedom model. Three dimensional frame element is used to model of the PSC box girder bridges, simply supported span length of 40m. The irregulation of rail-way is derived using the exponential spectrum density function under assumption of twelve level tracks conditions based on the normal probability procedure. The dynamic responses of bridge passing through the railway locomotive with high-speed analyzed by Newmark-${\beta}$ method and Runge-Kutta method are compared and contrasted considering the developed models of bridge, track and locomotive comprehensively. The dynamic analyses of wheel forces by Runge-Kutta method which are able to analyze the forces with high frequency running on the bridge and ground rail-way are conducted. Additionally, wheel forces spectrum and three rotational components of vehicle body for three typical running speeds is also presented.
Cantilever retaining wall movements generally depend on the intensity and duration of ground motion, the response of the soil underlying the wall, the response of the backfill, the structural rigidity, and soil-structure interaction (SSI). This paper investigates the effect of material properties on seismic response of backfill-cantilever retaining wall-soil/foundation interaction system considering SSI. The material properties varied include the modulus of elasticity, Poisson's ratio, and mass density of the wall material. A series of nonlinear time history analyses with variation of material properties of the cantilever retaining wall are carried out by using the suggested finite element model (FEM). The backfill and foundation soil are modelled as an elastoplastic medium obeying the Drucker-Prager yield criterion, and the backfill-wall interface behavior is taken into consideration by using interface elements between the wall and soil to allow for de-bonding. The viscous boundary model is used in three dimensions to consider radiational effect of the seismic waves through the soil medium. In the seismic analyses, North-South component of the ground motion recorded during August 17, 1999 Kocaeli Earthquake in Yarimca station is used. Dynamic equations of motions are solved by using Newmark's direct step-by-step integration method. The response quantities incorporate the lateral displacements of the wall relative to the moving base and the stresses in the wall in all directions. The results show that while the modulus of elasticity has a considerable effect on seismic behavior of cantilever retaining wall, the Poisson's ratio and mass density of the wall material have negligible effects on seismic response.
The evaluation of the accumulation of permanent set for inelastic structures due to wind action is important in establishing a criterion to select a reduced design wind load and in incorporating the beneficial ductile behaviour in wind engineering. A parametric study of the accumulation of the permanent set as well as the ductility demand for bilinear single-degree-of-freedom (SDOF) systems is presented in the present study. The dynamic analysis of the inelastic SDOF system is carried out using the method of Newmark for artificially generated time history of wind speed. Simulation results indicate that the mean of the normalized damage rate is highly dependent on the natural frequency of vibration. This mean value is relatively insensitive to the damping ratio if the damping ratio is larger than 5%. The scatter associated with the accumulation of the permanent set is very significant. The consideration of the postyield stiffness can significantly reduce the accumulation of the permanent set if the ratio of the yield strength to the expected peak response is small. The results also show that the ductility demand due to the wind action over a period of one hour for flexible structures can be much less than that for rigid structures or structures with larger damping ratio if the SDOF systems are designed with a reduced peak response caused by the fluctuating wind.
Neda Asadi;Hadi Arvin;Yaghoub Tadi Beni;Krzysztof Kamil Zur
Steel and Composite Structures
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v.51
no.4
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pp.457-471
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2024
In this research, for the first time the instability boundaries for a spinning shaft reinforced with graphene nanoplatelets undergone the principle parametric resonance are determined and examined taking into account the gyroscopic effect. In this respect, the extracted equations of motion in our previous research (Ref. Asadi et al. (2023)) are implemented and efficiently upgraded. In the upgraded discretized equations the effect of the Rayleigh's damping and the varying spinning speed is included that leads to a different dynamical discretized governing equations. The previous research was about the free vibration analysis of spinning graphene-based shafts examined by an eigen-value problem analysis; while, in the current research an advanced mechanical analysis is addressed in details for the first time that is the dynamics instability of the aforementioned shaft subjected to the principal parametric resonance. The spinning speed of the shaft is considered to be varied harmonically as a function of time. Rayleigh's damping effect is applied to the governing equations in order to regard the energy loss of the system. Resorting to Bolotin's route, Floquet theory and β-Newmark method, the instability region and its accompanied boundaries are defined. Accordingly, the effects of the graphene nanoplatelet on the instability region are elucidated.
The dams are huge structures storing a large amount of water and failures of them cause especially irreparable loss of lives during the earthquakes. They are named as a group of structures subjected to fluid-structure interaction. So, the response of the fluid and its hydrodynamic pressures on the dam should be reflected more accurately in the structural analyses to determine the real behavior as soon as possible. Different mathematical and analytical modelling approaches can be used to calculate the water hydrodynamic pressure effect on the dam body. In this paper, it is aimed to determine the dynamic response of concrete gravity dams using different water modelling approaches such as Westergaard, Lagrange and Euler. For this purpose, Sariyar concrete gravity dam located on the Sakarya River, which is 120km to the northeast of Ankara, is selected as a case study. Firstly, the main principals and basic formulation of all approaches are given. After, the finite element models of the dam are constituted considering dam-reservoir-foundation interaction using ANSYS software. To determine the structural response of the dam, the linear transient analyses are performed using 1992 Erzincan earthquake ground motion record. In the analyses, element matrices are computed using the Gauss numerical integration technique. The Newmark method is used in the solution of the equation of motions. Rayleigh damping is considered. At the end of the analyses, dynamic characteristics, maximum displacements, maximum-minimum principal stresses and maximum-minimum principal strains are attained and compared with each other for Westergaard, Lagrange and Euler approaches.
With taking the geometric nonlinearity of bridge structure into account, a framework is presented for predicting the dynamic responses of a long-span suspension bridge subjected to running train and turbulent wind. The nonlinear dynamic equations of the coupled train-bridge-wind system are established, and solved with the Newmark numerical integration and direct interactive method. The corresponding linear and nonlinear processes for solving the system equation are described, and the corresponding computer codes are written. The proposed framework is then applied to a schemed long-span suspension bridge with the main span of 1120 m. The whole histories of the train passing through the bridge under turbulent wind are simulated, and the dynamic responses of the bridge are obtained. The results demonstrate that the geometric nonlinearity does not influence the variation tendency of the bridge displacement histories, but the maximum responses will be changed obviously; the lateral displacement of bridge are more sensitive to the wind than the vertical ones; compared with wind velocity, train speed affects the vertical maximum responses a little more clearly.
This paper presents a theory concerning the beam element subjected to an eccentric rolling disk (or simply called the eccentric-disk-loaded beam element) such that the dynamic responses of a beam subjected to an eccentric rolling disk with its inertia force, Coriolis force and centrifugal force considered can be easily determined. To this end, the property matrices of an eccentric-disk-loaded beam element are firstly derived by means of the Lagrange's equations. Then, the overall property matrices of the entire vibrating system are determined by directly adding the property matrices of the eccentric-disk-loaded beam element to the overall ones of the entire beam itself. Finally, the Newmark direct integration method is used to solve the equations of motion for the dynamic responses of a beam subjected to an eccentric rolling disk. Some factors relating to the title problem, such as the eccentricity, radius and rotating speed of the rolling disk, and the Coriolis force and centrifugal force induced by the rolling disk are investigated. Numerical results reveal that the influence of last factors on the dynamic responses of the pinned-pinned beam is significant except the centrifugal force.
This paper describes earthquake response of the Arhavi Highway Tunnel its geometrical properties, 3D finite element model and the linear time history analyses under a huge ground motion considering soil-structure interaction. The Arhavi Highway Tunnel is one of the tallest tunnels constructed in the Black Sea region of Turkey as part of the Coast Road Project. The tunnel has two tubes and each of them is about 1000 m tall. In the study, lineartime history analyses of the tunnel are performed applying north-south, east-west and up accelerations components of 1992 Erzincan, Turkey ground motion. In the time history analyses, Rayleigh damping coefficients are calculated using main natural frequency obtained from modal analysis. Element matrices are computed using the Gauss numerical integration technique. The Newmark method is used in the solution of the equation of motion. Because of needed too much memory for the analyses, the first 10 second of the ground motions, which is the most effective duration, is taken into account in calculations. The results obtained 3D finite element model are presented. In addition, the displacement and stress results are observed to be allowable level of the concrete material during the earthquakes.
Abadi, M. Heydari Nosrat;Darvishi, H. Hassanpour;Nouri, A.R. Zamani
Computers and Concrete
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v.24
no.5
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pp.445-452
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2019
In this paper, dynamic stress, strain and deflection analysis of concrete pipes conveying nanoparticles-water under the seismic load are studied. The pipe is buried in the soil which is modeled by spring and damper elements. The Navier-Stokes equation is used for obtaining the force induced by the fluid and the mixture rule is utilized for considering the effect of nanoparticles. Based on refined two variables shear deformation theory of shells, the pipe is simulated and the equations of motion are derived based on energy method. The Galerkin and Newmark methods are utilized for calculating the dynamic stress, strain and deflection of the concrete pipe. The influences of internal fluid, nanoparticles volume percent, soil medium and damping of it as well as length to diameter ratio of the pipe are shown on the dynamic stress, strain and displacement of the pipe. The results show that with enhancing the nanoparticles volume percent, the dynamic stress, strain and deflection decrease.
This paper proposes an approximated contact force model to identify the nonlinear behavior of a fuel rod with gap supports; also, the numerical prediction of interfacial forces in the mechanical contact of fuel rods with gap supports is studied. The Newmark integration method requires the current status of the contact force, but the contact force is not given a priori. Taylor's expansion can be used to predict the unknown contact force; therefore, it should be guaranteed that the first derivative of the contact force is continuous. This work proposes a continuous and differentiable contact force model with the ability to estimate the current state of the contact force. An approximated convex and differentiable potential function for the contact force is described, and a variational formulation is also provided. A numerical example that considers the particularly stiff supports has been studied, and a fuel rod with hardening supports was also examined for a realistic simulation. An approximated proper solution can be obtained using the results, and abrupt changes from the contacting state to non-contacting state, or vice versa, can be relieved. It can also be seen that not only the external force but also the developed contact force affects the response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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