Free Vibration Analysis of Non-symmetric Thin-Walled Curved Beams with Shear Deformation

Kim, Nam il,Kim Moon Young,Min Byoung Cheol 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.4

본 연구에서는 전단변형을 고려한 비대칭 박벽 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 일반이론을 제시하기 위하여, 3차원 연속체에 대한 가상일의 원리로부터 전단변형 효과를 고려하고 비대칭 박벽단면과 ?(Warping)을 포함하는 변위장을 도심 축에 대해 정의한 후 곡선보의 변형도-변위관계로부터 공간 박벽 곡선보의 일반화된 탄성변형에너지와 운동에너지를 새롭게 유도한다. 또한, 전단변형이 고려된 곡선보의 총포텐셜에너지에 대해 변분을 취함으로써 평형방정식과 힘-변위관계를 제시한다. 한편, 제시된 이론에 대해 등매개 보요소를 도입하여 유한요소 정식화를 수행하였으며 곡선보의 동적 거동특성을 조사하기 위하여 전단변형, 곡률효과 그리고 진동모드에 대한 매개변수 연구를 수행한다. 마지막으로, 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여, 다양한 해석예제에 대한 3차원 고유진동수를 산정하고 타 연구자들의 결과 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용한 해석결과와 비교·검증한다. For spatial free vibration of non-symmetric thin-walled curved beams with shear deformation, an improved formulation is proposed in the present study. The elastic strain and the kinetic energies are first derived by considering constant curvature and shear deformation effects due to shear forces and restrained warping torsion. Next equilibrium equations and force-deformation relations are obtained using a stationary condition of total potential energy. And the finite element procedures are developed by using isoparametric curved beam element with arbitray thin-walled sections. Particularly not only shear deformation and thickness-curvature effects on vibration behaviors of curved beams but also mode transition and crossover phenomena with change in curvatures of beams are parametrically investigated. In order to illustrate the accuracy and the reliability of this study, various numerical solutions for spatial free vibration are compared with results by available references and ABAQUS's shell element.

비대칭 단면을 갖는 박벽 곡선보의 자유진동 해석

김문영,민병철,장승필 한국지진공학회 1999 한국지진공학회논문집 Vol.3 No.1

비대칭 박벽단면을 갖는 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체의 운동방정식을 제시한다 박벽단면의 구속된 비틂효과를 고려하는 박벽 곡선보의 변위장을 도입하고 이를 연소체의 운동방정식에 대입하여 단면에 대해 적분함으로써 박벽 곡선보의 운동방정식을 유도한다. 단순지지되고 일축대칭단면을 갖는 박벽 곡선보의 면내 자유진동 모드에 대응하는엄밀해를 산정하였으며 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내고 이를 운동방정식에 대입함으로써 탄성강도행렬과 질량 행렬을 유도한다 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 곡선보요소를 이용한 유한요소 해석결과를 직선보요소 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용하여 얻어진 결과와 비교 검토를 함으로써 본 연구의 타당성을 입증한다. Very stiff floor system in a residential-commercial building causes some problems in the numerical analysis procedure due to significant difference in stiffness with adjacent elements. Static analysis of structure with a stiff transfer-floor can be perfor

크로소이드 완화곡선을 갖는 수평 곡선보의 자유진동

이병구,진태기,이태은 한국전산구조공학회 2002 한국전산구조공학회논문집 Vol.15 No.1

이 논문은 크로소이드 완화곡선을 갖는 수평 곡선보의 자유진동에 관한 연구이다. 곡선보가 진동할 때 부재의 미소요소에 발생하는 합응력과 관성력에 대한 동적 평형방정식을 이용하여 변화곡률을 갖는 수평 곡선보의 자유진동을 지배하는 무차원 상미분방정식과 단부조건에 대한 무차원 경계조건을 유도하였다. 유도된 미분방정식을 크로소이드 완화 곡선을 갖는 수평 곡선보에 적용하여 회전-회전 및 고정-고정 보의 고유진동수 및 변위와 합응력의 진동형을 산출하였다. 구조해석용 범용프로그램인 ADINA와 본 연구의 결과를 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였으며, 수치해석의 결과로 무차원 고유진동수와 곡선보의 변수들 사이의 관계를 표 및 그림에 나타내었다. This paper deals with the free vibration of horizontally curved beams with transition currie. Based on the dynamic equilibrium equations of a curved beam element subjected to the stress resultants and inertia forces, the governing differential equations are derived for the out-of-plane vibration of curved beam with variable curvature. These equations are applied to the beam having transition curve in which the clothiod curve is chosen in this study. The differential equations are solved by the numerical methods lot calculating the natural frequencies and mode shapes. For verifying theories developed herein, the frequency parameters obtained from this studs and ADINA are compared with each other. As the numerical results, the various parametric studies effecting on natural frequencies are investigated and those results are presented in tables and figures.

두 개의 매개변수로 표현되는 탄성지반위에 놓인 원호형 곡선보의 자유진동

이병구,박광규,오상진 한국전산구조공학회 1999 한국전산구조공학회논문집 Vol.12 No.4

이 논문은 탄성지반위에 놓인 원호형 곡선보의 자유진동에 관한 연구이다. 회전관성 및 전단변형을 고려하여 두 개의 매개변수로 표현되는 탄성지반위에 놓인 원호형 곡선보의 자유진동을 지배하는 미분방정식을 유도하고, 이를 수치적분기법과 시행착오적 행렬값탐사법이 결합된 수치해석기법으로 해석하였다. 회전-회전, 회전-고정 및 고정-고정의 단부조건을 갖는 곡선보의 최저차모드 3개의 고유진동수를 산출하였다. 곡선보의 수평높이 지간길이비, Winkler 지반계수, 전단지반계수에 따른 고유진동수 변화를 분석하였으며, 회전관성 및 전단변형의 영향을 고찰하였다.

?과 회전관성을 고려한 수평 곡선보의 자유진동 해석

이병구,박광규,오상진,진태기 한국전산구조공학회 2001 한국전산구조공학회논문집 Vol.14 No.1

본 연구는 변화곡률 수평 곡선보의 면외 자유진동에 관한 연구이다. 뒴과 회전관성을 고려한 변화곡률 수평 곡선보의 자유진동을 지배하는 상미분방정식이 유도되었고, 이 지배미분방정식을 수치해석하여 곡선보의 고유진동수를 산출하였다. 지배미분방정식을 수치적분하기 위하여 Runge-Kutta method를 이용하였고, 고유진동수를 산출하기 위하여 Regula-Falsi method와 결합한 행렬값 탐사법을 이용하였다. 본 연구의 이론적 타당성을 검증하기 위하여 타문헌의 고유진동수와 비교하였고, 실험실 규모의 모형실험을 실시하여 이론값과 실험값의 고유진동수를 비교하였다. 수치해석의 결과로 무차원 재변수들의 변화에 따른 무차원 고유진동수를 제 3모드까지 산출하였고, 그 결과들을 고찰하였다. 본 연구의 결과는 곡선형 교량 등과 같이 곡선부재로 이루어진 구조물의 설계시에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

유한요소법을 이용한 수평곡선 I형교의 자유진동해석

윤기용,강영종,Yoon, Ki Yong,Kang, Young Jong 한국강구조학회 1998 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.1

수평곡선 I형교에서는 곡선주형의 초기곡률로 인하여 휨과 비틀림이 서로 연성 되어 복잡한 거동을 하며. 교량전체 거동에 가로보가 미치는 영향이 상당히 크다. 수평곡선 I형교의 거동특성을 파악하기 위해서는 곡선주형과 함께 가로보를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 수평곡선 I형교에 대한 자유진동해석을 위하여 곡선주형을 유한요소 모델링하기 위한 곡선보요소와 가로보를 모델링하기위한 직선보요소를 구성하고, 이들 보요소를 사용한 유한요소 해석 프로그램을 개발한다. 곡선보 요소는 초기곡률과 됨을 고려하기 위하여 박판곡선보 이론에 근거하여 2축 대칭단면을 갖는 I형 곡선보에 대한 유한요소 정식화를 통하여 구성되며, 이때 형상함수는 박판곡선보의 선형 정적 평형방정식의 제차해를 사용한다. 직선보 요소는 됨자유도를 포함하여 절점당 7자유도를 갖는다. 개발한 프로그램에서는 직교좌표계를 사용하여 전체 강성행렬과 전체 질량행렬을 구성하며, 고유치를 구하기 위하여 Gupta의 방법을 사용한다. 기존의 연구결과를 이용하여 구성된 곡선보 요소를 비교검증하고, 수치해석 예제를 통하여 개발한 프로그램의 결과와 쉘요소를 사용하여 범용유한요소해석프로그램으로 수행한 결과를 비교한다. The behavior of horizontally curved I-girder bridges is complex because the flexural and torsional behavior of curved girders are coupled due to their initial curvature. Also, the behavior is affected by cross beams. To investigate the behavior of horizontally curved I-girder bridges, it is necessary to consider curved girders with cross beams. In order to perform free vibration analyses of horizontally curved I-girder bridges, a finite element formulation is presented here and a finite element analysis program is developed. The formulation that is presented here consists of curved and straight beam elements, including the warping degree of freedom. Based on the theory of thin-walled curved beams, the shape functions of the curved beam elements are derived from homogeneous solutions of the static equilibrium equations. Third-order hermits polynomials are used to form the shape functions of the straight beam elements. In the finite element analysis program, global stiffness and mass matrix are composed, based on the Cartesian coordinate system. The Gupta method is used to efficiently solve the eigenvalue problem. Comparing the results of several examples here with those of previous studies, the formulation presented is verified. The validity of the program developed is shown by comparing results with those analyzed by the shell element.

진동 및 처짐해석을 위한 개선된 곡선보이론

김남일,최정호,Kim, Nam-Il,Choi, Jung-Ho 한국공간구조학회 2010 한국공간구조학회지 Vol.10 No.4

본 연구에서는 비대칭 단면을 갖는 박벽 곡선보의 자유진동 및 처짐해석을 위하여 박벽단면을 갖는 기존의 곡선보 이론의 단점을 보완하고자 도심-전단중심 정식화에 근거한 개선된 곡선보 이론을 제시한다. 변위장은 각각 도심과 전단중심에서 정의한 변위파라미터를 도입하여 나타내었으며 곡선보의 두께-곡률 효과와 회전관성효과를 고려한 개선된 변형에너지와 운동에너지를 엄밀하게 유도하였다. 본 연구의 타당성과 정확성을 증명하기 위하여 Hermitian 곡선보요소를 사용한 유한요소해석을 수행하였으며 해석 결과들을 도심 정식화에 의하여 산정한 결과, 선행 연구자 결과 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용한 결과와 비교하였다. To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analyses. For this, the displacement field is expressed by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes, respectively. Next the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are rigorously derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by centroid formulation, previous research and ABAQUS's shell elements.

일축대칭 단면을 갖는 박벽 원형 곡선보의 자유진동 해석

장승필,김문영,민병철 한국지진공학회 1998 한국지진공학회논문집 Vol.2 No.2

본 연구에서는 일축대칭 단면을 갖는 박벽 원형곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여, 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체? 운동방정식을 제시한다. 박벽단면의 구속된 비틂(restrained warping)효과를 고려하는 곡선보의 운동방정식을 얻는다. 단순지지되고 일축대칭 단면을 갖는 박벽 곡선보의 면외 고유진동에 대한 엄밀해를 제시하고 박벽 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내어 운동방정식에 대입함으로써 탄성강도행렬과 질량행렬을 유도한다. 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 박벽 곡선보요소를 이용한 유한요소 해석결과를 직선박벽보요소를 이용한 해석결과와 비교 검토를 함으로써 본 연구의 타당성을 입증한다. For free vibration of monosymmetric thin-walled circular arches including restrained warping effect, the elastic strain and kinetic energy is derived by introducing displacement fields of circular arches in which all displacement parameters are defined at the centroid axis. The cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions for development of the curved thin-walled beam element having eight degrees of freedom. Analytical solution for free vibration behaviors of simply supported thin-walled curved beam element is presented by evaluating elastic stiffness and mass matrices. In order to illustrate the accuracy and practical usefulness of this study, analytical and numerical solutions for free vibration of circular arches are presented and compared with solutions analyzed by the FEM using straight beam element.

이축 대칭단면을 갖는 박벽 원형아치의 면외좌굴해석

김문영,민병철,김성보,Kim, Moon Young,Min, Byoung Cheol,Kim, Sung Bo 한국강구조학회 1998 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.3

A consistent finite element formulation and analytic solutions are presented for stability of thin-walled circular arch. The total potential energy is derived by applying the principle of linearized virtual work and including second order terms of finite semitangential rotations. As a result, the energy functional corresponding to the semitangential moment is newly derived. Analytic solutions for the out-of-plane buckling of symmetric thin-walled curved beam subjected to pure bending or uniform compression with simply supported boundary conditions are obtained. For finite element analysis, the cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions and $16{\times}16$ stiffness matrix for curved beam elements and $14{\times}14$ stiffness matrix for straight beam elements are evaluated, respectively. In order to illustrate the accuracy of this study, analytical and numerical results for lateral buckling problems of circular arch are presented and compared with available analytical solutions. 본 연구에서는 이축 대칭단면을 갖는 박벽 원형아치의 안정성해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여, 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체의 운동방정식을 제시한다. 박벽단면의 구속된 비틂(restrained warping)효과를 고려하는 박벽 곡선보의 변위장을 도입하고 이를 연속체의 운동방정식에 대입하여 단면에 대해 적분함으로써 박벽 곡선보의 운동방정식을 유도한다. 단순지지되고 이축 대칭단면을 갖는 박벽 곡선보의 면외좌굴에 대한 엄밀해를 제시하고 박벽 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내어 운동방정식에 대입함으로써 탄성 강도행렬과 기하학적 강도행렬을 유도한다. 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 박벽 곡선보요소를 이용한 유한요소해석결과를 다른 연구자들의 결과 및 직선 박벽보 요소를 이용한 해석결과와 비교 검토를 함으로써 분 연구의 타당성을 입증한다.

모우드 해석법을 이용한 캔틸레버 곡선보의 동적해석

김영문,유기표 한국공간구조학회 2007 한국공간구조학회지 Vol.7 No.1

곡선보의 고유진동수를 측정하기 우하여 이론적인 해석과 실험 및 유한요소법해석을 실시하였다. 본 논문에서는 모우드해석을 위한 실험에서 얻어지는 결과로부터 곡선보의 동특성의 하나인 고유진동수를 구하였다 먼저, 이론식을 통해 구조물의 동특성을 파악하고, 유한요소해석과 실험에 의한 결과를 비교 검토하여 구조물의 동적해석에 있어서 모우드해석법의 적용성을 보였다.