908 resultados para geometric nonlinearity


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Composite steel-concrete structures experience non-linear effects which arise from both instability-related geometric non-linearity and from material non-linearity in all of their component members. Because of this, conventional design procedures cannot capture the true behaviour of a composite frame throughout its full loading range, and so a procedure to account for those non-linearities is much needed. This paper therefore presents a numerical procedure capable of addressing geometric and material non-linearities at the strength limit state based on the refined plastic hinge method. Different material non-linearity for different composite structural components such as T-beams, concrete-filled tubular (CFT) and steel-encased reinforced concrete (SRC) sections can be treated using a routine numerical procedure for their section properties in this plastic hinge approach. Simple and conservative initial and full yield surfaces for general composite sections are proposed in this paper. The refined plastic hinge approach models springs at the ends of the element which are activated when the surface defining the interaction of bending and axial force at first yield is reached; a transition from the first yield interaction surface to the fully plastic interaction surface is postulated based on a proposed refined spring stiffness, which formulates the load-displacement relation for material non-linearity under the interaction of bending and axial actions. This produces a benign method for a beam-column composite element under general loading cases. Another main feature of this paper is that, for members containing a point of contraflexure, its location is determined with a simple application of the method herein and a node is then located at this position to reproduce the real flexural behaviour and associated material non-linearity of the member. Recourse is made to an updated Lagrangian formulation to consider geometric non-linear behaviour and to develop a non-linear solution strategy. The formulation with the refined plastic hinge approach is efficacious and robust, and so a full frame analysis incorporating geometric and material non-linearity is tractable. By way of contrast, the plastic zone approach possesses the drawback of strain-based procedures which rely on determining plastic zones within a cross-section and which require lengthwise integration. Following development of the theory, its application is illustrated with a number of varied examples.

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This paper presents a higher-order beam-column formulation that can capture the geometrically non-linear behaviour of steel framed structures which contain a multiplicity of slender members. Despite advances in computational frame software, analyses of large frames can still be problematic from a numerical standpoint and so the intent of the paper is to fulfil a need for versatile, reliable and efficient non-linear analysis of general steel framed structures with very many members. Following a comprehensive review of numerical frame analysis techniques, a fourth-order element is derived and implemented in an updated Lagrangian formulation, and it is able to predict flexural buckling, snap-through buckling and large displacement post-buckling behaviour of typical structures whose responses have been reported by independent researchers. The solutions are shown to be efficacious in terms of a balance of accuracy and computational expediency. The higher-order element forms a basis for augmenting the geometrically non-linear approach with material non-linearity through the refined plastic hinge methodology described in the companion paper.

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Finite element frame analysis programs targeted for design office application necessitate algorithms which can deliver reliable numerical convergence in a practical timeframe with comparable degrees of accuracy, and a highly desirable attribute is the use of a single element per member to reduce computational storage, as well as data preparation and the interpretation of the results. To this end, a higher-order finite element method including geometric non-linearity is addressed in the paper for the analysis of elastic frames for which a single element is used to model each member. The geometric non-linearity in the structure is handled using an updated Lagrangian formulation, which takes the effects of the large translations and rotations that occur at the joints into consideration by accumulating their nodal coordinates. Rigid body movements are eliminated from the local member load-displacement relationship for which the total secant stiffness is formulated for evaluating the large member deformations of an element. The influences of the axial force on the member stiffness and the changes in the member chord length are taken into account using a modified bowing function which is formulated in the total secant stiffness relationship, for which the coupling of the axial strain and flexural bowing is included. The accuracy and efficiency of the technique is verified by comparisons with a number of plane and spatial structures, whose structural response has been reported in independent studies.

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The traditional structural design procedure, especially for the large-scale and complex structures, is time consuming and inefficient. This is due primarily to the fact that the traditional design takes the second-order effects indirectly by virtue of design specifications for every member instead of system analysis for a whole structure. Consequently, the complicated and tedious design procedures are inevitably necessary to consider the second-order effects for the member level in design specification. They are twofold in general: 1) Flexural buckling due to P-d effect, i.e. effective length. 2) Sway effect due to P-D effect, i.e. magnification factor. In this study, a new system design concept based on the second-order elastic analysis is presented, in which the second-order effects are taken into account directly in the system analysis, and also to avoid the tedious member-by-member stability check. The plastic design on the basis of this integrated method of direct approach is ignored in this paper for simplicity and clarity, as the only emphasis is placed on the difference between the second-order elastic limit-state design and present system design approach. A practical design example, a 57m-span dome steel skylight structure, is used to demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed approach. This skylight structure is also designed by the traditional design approach BS5950-2000 for comparison on which the emphasis of aforementioned P-d and P-D effects is placed.

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Here we report on an unconventional Ni-P alloy-catalyzed, high-throughput, highly reproducible chemical vapor deposition of ultralong carbon microcoils using acetylene precursor in the temperature range 700-750 °C. Scanning electron microscopy analysis reveals that the carbon microcoils have a unique double-helix structure and a uniform circular cross-section. It is shown that double-helix carbon microcoils have outstanding superelastic properties. The microcoils can be extended up to 10-20 times of their original coil length, and quickly recover the original state after releasing the force. A mechanical model of the carbon coils with a large spring index is developed to describe their extension and contraction. Given the initial coil parameters, this mechanical model can successfully account for the geometric nonlinearity of the spring constants for carbon micro- and nanocoils, and is found in a good agreement with the experimental data in the whole stretching process.

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This paper presents nonlinear finite element analysis of adhesively bonded joints considering the elastoviscoplastic constitutive model of the adhesive material and the finite rotation of the joint. Though the adherends have been assumed to be linearly elastic, the yielding of the adhesive is represented by a pressure sensitive modified von Mises yield function. The stress-strain relation of the adhesive is represented by the Ramberg-Osgood relation. Geometric nonlinearity due to finite rotation in the joint is accounted for using the Green-Lagrange strain tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor in a total Lagrangian formulation. Critical time steps have been calculated based on the eigenvalues of the transition matrices of the viscoplastic model of the adhesive. Stability of the viscoplastic solution and time dependent behaviour of the joints are examined. A parametric study has been carried out with particular reference to peel and shear stress along the interface. Critical zones for failure of joints have been identified. The study is of significance in the design of lap joints as well as on the characterization of adhesive strength. (C) 1999 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

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An energy-momentum conserving time integrator coupled with an automatic finite element algorithm is developed to study longitudinal wave propagation in hyperelastic layers. The Murnaghan strain energy function is used to model material nonlinearity and full geometric nonlinearity is considered. An automatic assembly algorithm using algorithmic differentiation is developed within a discrete Hamiltonian framework to directly formulate the finite element matrices without recourse to an explicit derivation of their algebraic form or the governing equations. The algorithm is illustrated with applications to longitudinal wave propagation in a thin hyperelastic layer modeled with a two-mode kinematic model. Solution obtained using a standard nonlinear finite element model with Newmark time stepping is provided for comparison. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

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Classical literature on solid mechanics claims existence of radial deformation due to torsion but there is hardly any literature on analytic solutions capturing this phenomenon. This paper tries to solve this problem in an asymptotic sense using the variational asymptotic method (VAM). The method makes no ad hoc assumptions and hence asymptotic correctness is assured. The VAM splits the 3D elasticity problem into two parts: A 1D problem along the length of the cylinder which gives the twist and a 2D cross-sectional problem which gives the radial deformation. This enables closed form solutions, even for some complex problems. Starting with a hollow cylinder, made up of orthotropic but transversely isotropic material, the 3D problem has been formulated and solved analytically despite the presence of geometric nonlinearity. The general results have been specialized for particularly useful cases, such as solid cylinders and/or cylinders with isotropic material. DOI: 10.1115/1.4006803]

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Adhesives are widely used to execute the assembly of aerospace and automotive structures due to their ability to join dissimilar materials, reduced stress concentration, and improved fatigue resistance. The mechanical behavior of adhesive joints can be studied either using analytical models or by conducting mechanical tests. However, the complexity owing to multiple interfaces, layers with different properties, material and geometric nonlinearity and its three-dimensional nature combine to increase the difficulty in obtaining an overall system of governing equations to predict the joint behavior. On the other hand, experiments are often time consuming and expensive due to a number of parameters involved. Finite element analysis (FEA) is profoundly used in recent years to overcome these limitations. The work presented in this paper involves the finite element modeling and analysis of a composite single lap joint where the adhesive-adherend interface region was modeled using connector elements. The computed stresses were compared with the experimental stresses obtained using digital image correlation technique. The results showed an agreement. Further, the failure load predicted using FEA was found to be closer to the actual failure load obtained by mechanical tests.

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Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais é considerada uma solução cara para os problemas da engenharia estrutural. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil, uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais têm seguramente provocado um aumento na utilização do aço inoxidável. As normas de projeto de aço inoxidável atuais são, em grande parte, baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas desenvolvidas com aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas não-lineares tensão versus deformação (tensão e compressão, paralela e perpendicular a laminação do material), sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos, modificando assim, o comportamento global das estruturas que o utilizam. Em elementos estruturais submetidos a forças axiais de tração, a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável S304, este trabalho apresenta um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos através do programa Ansys (versão 11). A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises e curvas tensão versus deformação verdadeira. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange atualizado. O modelo numérico foi calibrado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório, a partir de ligações aparafusadas alternadas rígidas, onde não se ocorre nenhuma rotação entre os membros, transferindo nenhum momento fletor, apenas esforço normal e cisalhante.

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Considerando uma nova realidade com o incremento do uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações soldadas tipo T com perfis tubulares circulares (CHS) para a coluna e perfil I ou H para a viga com flexão no plano, efetuado com base nas normas EC3, CIDECT e a NBR 16239 comparando com o critério de deformação limite, proposto por Lu et al., através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys versão 12.0. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Com base nos resultados numéricos avaliados foram traçadas curvas momento-rotação para cada modelo com o objetivo de obter o momento resistente de cada ligação bem como a classificação da ligação quanto a capacidade de rotação, a influência dos parâmetros geométricos em cada modelo e o modo de falha que controlará o dimensionamento da ligação.

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Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis na construção civil era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. Considerando uma nova realidade para o uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com perfis tubulares quadrados (SHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346 através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Verificou-se a influência do momento atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação trilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A nãolinearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Os resultados numéricos são avaliados para a ligação em estudo quanto aos modos de falha e a distribuição de tensões. A análise dos momentos resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentou valores excessivamente a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento é proposto.

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As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

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Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.

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The dynamic analysis of a deepwater floating platform and the associated mooring/riser system should ideally be fully coupled to ensure a reliable response prediction. It is generally held that a time domain analysis is the only means of capturing the various coupling and nonlinear effects accurately. However, in recent work it has been found that for an ultra-deepwater floating system (2000m water depth), the highly efficient frequency domain approach can provide highly accurate response predictions. One reason for this is the accuracy of the drag linearization procedure over both first and second order motions, another reason is the minimal geometric nonlinearity displayed by the mooring lines in deepwater. In this paper, the aim is to develop an efficient analysis method for intermediate water depths, where both mooring/vessel coupling and geometric nonlinearity are of importance. It is found that the standard frequency domain approach is not so accurate for this case and two alternative methods are investigated. In the first, an enhanced frequency domain approach is adopted, in which line nonlinearities are linearized in a systematic way. In the second, a hybrid approach is adopted in which the low frequency motion is solved in the time domain while the high frequency motion is solved in the frequency domain; the two analyses are coupled by the fact that (i) the low frequency motion affects the mooring line geometry for the high frequency motion, and (ii) the high frequency motion affects the drag forces which damp the low frequency motion. The accuracy and efficiency of each of the methods are systematically compared. Copyright © 2007 by ASME.