In this work, the bending and dynamic behaviors of advanced composite plates resting on variable visco-Pasternak foundations are studied using a simple shear deformation integral plate model. The research is carried out with a view to a three-parameter foundation including the influences of the variable Winkler coefficient, the constant Pasternak coefficient and the damping coefficient of the elastic medium. The present theory uses a displacement field with integral terms instead of derivative terms by including also the shear deformation effect without introducing the shear correction factors. The equations of motion for advanced composite plates are obtained using the Hamilton principle. Analytical solutions for the bending and dynamic analysis are deduced for simply supported plates resting on variable visco-Pasternak foundations. Some numerical results are presented to demonstrate the impact of material index, elastic foundation type, and damping coefficient of the foundation, on the bending and dynamic responses of advanced composite plates.
In recent years, study of the static response of pavements to moving vehicle and aircraft loads has received significant attention because of its relevance to the design of pavements and airport runways. The static response of beams resting on an elastic foundation and subjected to moving loads was studied by several researchers in the past. However, most of these studies were limited to steady-state analytical solutions for infinitely long beams resting on Winkler-type elastic foundations. Although the modelling of subgrade as a continuum is more accurate, such an approach can hardly be incorporated in analysis due to its complexity. In contrast, the two-parameter foundation model provides a better way for simulating the underlying soil medium and is conceptually more appealing than the one-parameter (Winkler) foundation model. The finite element method is one of the most suitable mathematical tools for analysing rigid pavements under moving loads. This paper presents an improved solution algorithm based on the finite element method for the static analysis of rigid pavements under moving vehicular or aircraft loads. The concrete pavement is discretized by finite and infinite beam elements, with the latter for modelling the infinity boundary conditions. The underlying soil medium is modelled by the Pasternak model allowing the shear interaction to exist between the spring elements. This can be accomplished by connecting the spring elements to a layer of incompressible vertical elements that can deform in transverse shear only. The deformations and forces maintaining equilibrium in the shear layer are considered by assuming the shear layer to be isotropic. A parametric study is conducted to investigate the effect of the position of moving loads on the response of pavement.
This paper presents a three-dimensional displacement-based formulation to investigate the free vibration of functionally graded nanoplates resting on a Winkler-Pasternak foundation based on the nonlocal elasticity theory. The material properties of the FG nanoplate are considered to vary continuously through the thickness of the nanoplate according to the power-law distribution model. A general three-dimensional displacement field is considered for the plate, which takes into account the out-of-plane strains of the plate as well as the in-plane strains. Unlike the shear deformation theories, in the present formulation, no predetermined form for the distribution of displacements and transverse strains is considered. The equations of motion for functionally graded nanoplate are derived based on Hamilton's principle. The solution is obtained for simply-supported nanoplate, and the predicted results for natural frequencies are compared with the predictions of shear deformation theories which are available in the literature. The predictions of the present theory are discussed in detail to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio, mode numbers and the elastic foundation on the dynamic behavior of the functionally graded nanoplate. The present study presents a three-dimensional solution that is able to determine more accurate results in predicting of the natural frequencies of flexural and thickness modes of nanoplates. The effects of parameters that play a key role in the analysis and mechanical design of functionally graded nanoplates are investigated.
The current paper discusses the dynamic and stability responses of cross-ply composite laminated plates by employing a refined quasi-3D trigonometric shear deformation theory. The proposed theory takes into consideration shear deformation and thickness stretching by a trigonometric variation of in-plane and transverse displacements through the plate thickness and assures the vanished shear stresses conditions on the upper and lower surfaces of the plate. The strong point of the new formulation is that the displacements field contains only 4 unknowns, which is less than the other shear deformation theories. In addition, the present model considers the thickness extension effects (εz≠0). The presence of the Winkler-Pasternak elastic base is included in the mathematical formulation. The Hamilton's principle is utilized in order to derive the four differentials' equations of motion, which are solved via Navier's technique of simply supported structures. The accuracy of the present 3-D theory is demonstrated by comparing fundamental frequencies and critical buckling loads numerical results with those provided using other models available in the open literature.
Zakaria Belabed;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta;Abdeldjebbar Tounsi;Hoang-Le Minh
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.2
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pp.183-204
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2024
In current investigation, a novel beam finite element model is formulated to analyze the buckling and free vibration responses of functionally graded porous beams resting on Winkler-Pasternak elastic foundations. The novelty lies in the formulation of a simplified finite element model with only three degrees of freedom per node, integrating both C0 and C1 continuity requirements according to Lagrange and Hermite interpolations, respectively, in isoparametric coordinate while emphasizing the impact of z-coordinate-dependent porosity on vibration and buckling responses. The proposed model has been validated and demonstrating high accuracy when compared to previously published solutions. A detailed parametric examination is performed, highlighting the influence of porosity distribution, foundation parameters, slenderness ratio, and boundary conditions. Unlike existing numerical techniques, the proposed element achieves a high rate of convergence with reduced computational complexity. Additionally, the model's adaptability to various mechanical problems and structural geometries is showcased through the numerical evaluation of elastic foundations, with results in strong agreement with the theoretical formulation. In light of the findings, porosity significantly affects the mechanical integrity of FGP beams on elastic foundations, with the advanced beam element offering a stable, efficient model for future research and this in-depth investigation enriches porous structure simulations in a field with limited current research, necessitating additional exploration and investigation.
An analytical solution for the shape functions of a beam segment supported on a generalized two-parameter elastic foundation is derived. The solution is general, and is not restricted to a particular range of magnitudes of the foundation parameters. The exact shape functions can be utilized to derive exact analytic expressions for the coefficients of the element stiffness matrix, work equivalent nodal forces for arbitrary transverse loads and coefficients of the consistent mass and geometrical stiffness matrices. As illustration, each distinct coefficient of the element stiffness matrix is compared with its conventional counterpart for a beam segment supported by no foundation at all for the entire range of foundation parameters.
The present paper investigates the combination resonance behavior of imperfect spiral stiffened functionally graded (SSFG) cylindrical shells with internal and external functionally graded stiffeners under two-term large amplitude excitations. The structure is embedded within a generalized nonlinear viscoelastic foundation, which is composed of a two-parameter Winkler-Pasternak foundation augmented by a Kelvin-Voigt viscoelastic model with a nonlinear cubic stiffness, to account for the vibration hardening/softening phenomena and damping considerations. With regard to classical plate theory of shells, von-Kármán equation and Hook law, the relations of stress-strain are derived for shell and stiffeners. The spiral stiffeners of the cylindrical shell are modeled according to the smeared stiffener technique. According to the Galerkin method, the discretized motion equation is obtained. The combination resonance is obtained by using the multiple scales method. Finally, the influences of the stiffeners angles, foundation type, the nonlinear elastic foundation coefficients, material distribution, and excitation amplitude on the system resonances are investigated comprehensively.
In this paper, an analytical approach for the free vibration analysis of spiral stiffened functionally graded (SSFG) cylindrical shells is investigated. The SSFG shell is resting on linear and non-linear elastic foundation with damping force. The elastic foundation for the linear model is according to Winkler and Pasternak parameters and for the non-linear model, one cubic term is added. The material constitutive of the stiffeners is continuously changed through the thickness. Using the Galerkin method based on the von $K\acute{a}rm\acute{a}n$ equations and the smeared stiffeners technique, the non-linear vibration problem has been solved. The effects of different geometrical and material parameters on the free vibration response of SSFG cylindrical shells are adopted. The results show that the angles of stiffeners and elastic foundation parameters strongly effect on the natural frequencies of the SSFG cylindrical shell.
In the present work, the buckling behavior of a single-layered graphene sheet (SLGS) embedded in visco-Pasternak's medium is studied using nonlocal four-unknown integral model. This model has a displacement field with integral terms which includes the effect of transverse shear deformation without using shear correction factors. The visco-Pasternak's medium is introduced by considering the damping effect to the classical foundation model which modeled by the linear Winkler's coefficient and Pasternak's (shear) foundation coefficient. The SLGS under consideration is subjected to compressive in- plane edge loads per unit length. The influences of many parameters such as nonlocal parameter, geometric ratio, the visco-Pasternak's coefficients, damping parameter, and mode numbers on the buckling response of the SLGSs are studied and discussed.
Concrete is the most widely used substance in construction industry, so it's been required to improve its quality using new technologies. Nowadays, nanotechnology offers new frontiers for improving construction materials. In this paper, we study the stability analysis of the Single Walled Carbon Nanotubes (SWCNT) reinforced concrete cylindrical shell embedded in elastic foundation using the Donnell cylindrical shell theory. In this regard, we propose a new explicit analytical formula of the critical buckling load which takes into account the distribution of SWCNT reinforcement through the thickness of the concrete shell using the U, X, O and V forms and the elastic foundation using Winkler and Pasternak models. The rule of mixture is used to calculate the effective properties of the reinforced concrete cylindrical shell. The influence of diverse parameters on the stability behavior of the reinforced concrete shell is also discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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