In this paper, the dynamic flexural stiffness of concrete-filled steel tubular (CFST) members is investigated based on vibration modal testing and a Bayesian model updating procedure. To reflect the actual service states of CFST members, a 3-stage modal testing procedure is developed for 6 circular CFST beam-columns, in which the modal parameters of the specimens under varying axial load levels are extracted. In the model updating procedure, a Timoshenko beam element model is first established, in which the influence of shear deformation and rotational inertia are incorporated. Subsequently, a 2-round Bayesian model updating strategy is proposed to calculate the dynamic flexural stiffness of the specimens, which could effectively consider the influence of physical constraints in the updating process and achieve reasonably well results. Analysis of the updating results shows that with the increase of the axial load level, degradation of the flexural stiffness is significantly influenced by the load eccentricity. It shows that the cracking of the core concrete is the primary reason for the flexural stiffness degradation of CFST beam-columns. Finally, based on comparison with equations proposed by several design standards, the calculation methods for the dynamic flexural stiffness of CFST members is recommended.
The paper presents a stability analysis of uniform Timoshenko beams resting on two-parameter elastic foundations. The two-parameter elastic foundations were considered as a shearing layer and Winkler springs in soil models. Governing equations of motion were derived using the Hamilton's principle and finite element analysis was performed and the eigenvalues were obtained for the stability analysis. The numerical results for the buckling stability of beams under axial forces are demonstrated and compared with the exact or available confirmed solutions. Finally, several examples were given for Euler-Bernoulli and Timoshenko beams with various boundary conditions.
In this paper we present methodology for parameters identification of constitutive model which is able to present behavior of a connection between two members in a structure. Such a constitutive model for frame connections can be cast in the most general form of the Timoshenko beam, which can present three failure modes. The first failure mode pertains to the bending in connection, which is defined as coupled plasticity-damage model with nonlinear softening. The second failure mode is seeking to capture the shearing of connection, which is defined as plasticity with linear hardening and nonlinear softening. The third failure mode pertains to the diffuse failure in the members; excluding it leads to linear elastic constitutive law. Theoretical formulation of this Timoshenko beam model and its finite element implementation are presented in the second section. The parameter identification procedure that will allow us to define eighteen unknown parameters is given in Section 3. The proposed methodology splits identification in three phases, with all details presented in Section 4 through three different examples. We also present the real experimental results. The conclusions are stated in the last section of the paper.
This paper presents a geometrically non-linear formulation for the general curved beam element based on assumed strain fields and Timoshenko's beam theory. This general curved beam element is formulated from constant strain fields. And this element, designed in a local curvilinear coordinate system, is transformed into a global cartesian system in order to analyze effectively the general curved beam structures located arbitrarly in space. Numerical examples are presented to show the accuracy and efficiency of the present formulation. The results obtained from the present formulation are compared with those available in the literature and analysis by ANSYS.
Inevitable source-uncertainties in geometry configuration, boundary condition, and material properties may deviate the structural dynamics from its expected responses. This paper aims to examine the influence of these uncertainties on the vibration of functionally graded beams. Finite element procedures are presented for Timoshenko beams and utilized to generate reliable datasets. A prerequisite to the uncertainty quantification of the beam vibration using Monte Carlo simulation is generating large datasets, that require executing the numerical procedure many times leading to high computational cost. Utilizing artificial neural networks to model beam vibration can be a good approach. Initially, the optimal network for each beam configuration can be determined based on numerical performance and probabilistic criteria. Instead of executing thousands of times of the finite element procedure in stochastic analysis, these optimal networks serve as good alternatives to which the convergence of the Monte Carlo simulation, and the sensitivity and probabilistic vibration characteristics of each beam exposed to randomness are investigated. The simple procedure presented here is efficient to quantify the uncertainty of different stochastic behaviors of composite structures.
In this paper, free vibration of rotating beam with random properties is studied. The cross-sectional area, elasticity modulus, moment of inertia, shear modulus and density are modeled as random fields and the rotational speed as a random variable. To study uncertainty, stochastic finite element method based on second order perturbation method is applied. To discretize random fields, the three methods of midpoint, interpolation and local average are applied and compared. The effects of rotational speed, setting angle, random property variances, discretization scheme, number of elements, correlation of random fields, correlation function form and correlation length on "Coefficient of Variation" (C.O.V.) of first mode eigenvalue are investigated completely. To determine the significant random properties on the variation of first mode eigenvalue the sensitivity analysis is performed. The results are studied for both Timoshenko and Bernoulli-Euler rotating beam. It is shown that the C.O.V. of first mode eigenvalue of Timoshenko and Bernoulli-Euler rotating beams are approximately identical. Also, compared to uncorrelated random fields, the correlated case has larger C.O.V. value. Another important result is, where correlation length is small, the convergence rate is lower and more number of elements are necessary for convergence of final response.
Forced vibration analysis of a simple supported viscoelastic nanobeam is studied based on modified couple stress theory (MCST). The nanobeam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. The elastic medium is considered as Winkler-Pasternak elastic foundation.The damping effect is considered by using the Kelvin-Voigt viscoelastic model. The inclusion of an additional material parameter enables the new beam model to capture the size effect. The new non-classical beam model reduces to the classical beam model when the length scale parameter is set to zero. The considered problem is investigated within the Timoshenko beam theory by using finite element method. The effects of the transverse shear deformation and rotary inertia are included according to the Timoshenko beam theory. The obtained system of differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain by using Newmark average acceleration method. Numerical results are presented to investigate the influences the material length scale parameter, the parameter of the elastic medium and aspect ratio on the dynamic response of the nanobeam. Also, the difference between the classical beam theory (CBT) and modified couple stress theory is investigated for forced vibration responses of nanobeams.
In this paper, geometrically non-linear analysis of a functionally graded simple supported beam is investigated with porosity effect. The material properties of the beam are assumed to vary though height direction according to a prescribed power-law distributions with different porosity models. In the nonlinear kinematic model of the beam, the total Lagrangian approach is used within Timoshenko beam theory. In the solution of the nonlinear problem, the finite element method is used in conjunction with the Newton-Raphson method. In the study, the effects of material distribution such as power-law exponents, porosity coefficients, nonlinear effects on the static behavior of functionally graded beams are examined and discussed with porosity effects. The difference between the geometrically linear and nonlinear analysis of functionally graded porous beam is investigated in detail. Also, the effects of the different porosity models on the functionally graded beams are investigated both linear and nonlinear cases.
Although the finite element method has become an indispensible tool for the dynamic analysis of structures, difficulty remains to quantify the errors associated with discretization. To improve the modeling accuracy, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for the Timoshenko beam element are derived using the exact dynamic element modeling (EDEM) and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. A combined use of finite element method and exact interpolation functions is presented to gain more accurate mode shape functions. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design/reanalysis problems. Timoshenko flames with tapered sections are tested to demonstrate the design procedure with the proposed method. The numerical study shows that the combined use of finite element model and exact dynamic element model is very useful.
In this paper, the vibration of a rotating shaft with a thin rigid disk is considered. It is assumed that the shaft has uniform, circular cross-section. Based on the Timoshenko-beam theory, the transverse displacements and slops in two lateral directions, the axial displacement, and the torsional deformation are considered. The spectral element method is used for the vibration analysis of the rotating shaft with a thin rigid disk, which is modeled by two shaft elements and a thin rigid disk element.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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