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COMPARISON OF SOME VARIANTS OF THE FINITE STRIP METHOD FOR ANALYSIS OF COMPLEX SHELL STRUCTURES
(2000)
The subject of this paper is to explore and evaluate the semi-analytical, analytical and numerical versions of the finite strip method (FSM) for static, dynamic and stability analyses of complex thin-walled structures. Many of bridge superstructures, some roof and floor structures, reservoirs, channels, tunnels, subways, layered shells and plates etc. can be analysed by this method. In both semi-analytical and analytical variants beam eigenvalue vibration or stability functions, orthogonal polynomials, products of these functions are used as longitudinal functions of the unknowns. In the numerical FSM spline longitudinal displacement functions are implemented. In the semi-analytical and numerical FSM conventional transverse shape functions for displacements are used. In the analytical FSM the accurate function of the strip normal displacement and the plane stress function are applied. These three basic variants of the FSM are compared in quality and quantity in view to the following: basic ideas, modelling, unknowns, DOF, a kind and order of the strips, longitudinal and transverse displacement and stress functions, compatibility requirements, boundary conditions, ways for obtaining of the strip stiffness and load matrices, a kind and size of the structure stiffness matrix and its band width, mesh density, necessary number of terms in length, accuracy and convergence of the stresses and displacements, approaches for refining results, input and output data, computer resources used, application area, closeness to other methods, options for future development. Numerical example is presented. Advantages and shortcomings are pointed. Conclusions are given.
DETERMINATION OF THE DYNAMIC STRESS INTENSITY FACTOR USING ADVANCED ENERGY RELEASE EVALUATION
(2000)
In this study a simple effective procedure practically based upon the FEM for determination of the dynamic stress intensity factor (DSIF) depending on the input frequency and using an advanced strain energy release evaluation by the simultaneous release of a set of fictitious nodal spring links near the crack tip is developed and applied. The DSIF is expressed in terms of the released energy per unit crack length. The formulations of the linear fracture mechanics are accepted. This technique is theoretically based upon the eigenvalue problem for assessment of the spring stiffnesses and on the modal decomposition of the crack shape. The inertial effects are included into the released energy. A linear elastic material, time-dependent loading of sine type and steady state response of the structure are assumed. The procedure allows the opening, sliding and mixed modes of the structure fracture to be studied. This rational and powerful technique requires a mesh refinement near the crack tip. A numerical test example of a square notched steel plate under tension is given. Opening mode of fracture is studied only. The DSIF is calculated using a coarse mesh and a single node release for the released energy computation as well a fine mesh and simultaneous release of four links for more accurate values. The results are analyzed. Comparisons with the known exact results from a static loading are presented. Conclusions are derived. The values of the DSIF are significantly larger than the values of the corresponding static SIF. Significant peaks of the DSIF are observed near the natural frequences. This approach is general, practicable, reliable and versatile.
Seismic insulation is one of the most progressive types of seismic protection. Seismic insulation is understood as applying special devices for reducing of inertial seismic loads acting on a building. The constructions, shown in article, significantly more effectively solve problems of seismic protection, comparing to the existing seismic insulation systems (SIS). The Special Mechanical Engineering Design Office has developed, manufactured and tested a shock-absorber unit (SAU) of large load capacity. The SAU represents a block of number of pneumatic shock-absorbers (PSA), concentrically mounted round the guiding cylinder. The protected object rests upon the upper movable part of the guiding cylinder of the SAU. In its turn, the lower part of the SAU is rested on the foundation plate, mounted on the ground. A set of the SAU is a constructive realization of the SIS. Efficiency of such SIS has been proved as theoretically, so experimentally An effective SIS can also be created on the base of the elasto-plastic shock-absorbers developed by the KBSM. New designing and constructional solutions are based on the use of the original SIS elements, performed on the base of long time existing (in the other field of technical equipment)units, safety and durability of which have been proved by long term service (more than 20 years).
Die Inverse Matrizeniteration ist ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenzustände reeller, symmetrischer Matrizen mit konvexer Profilstruktur. Das Verfahren zeichnet sich besonders durch den Erhalt der Profilstruktur und die Bestimmung der Eigenwerte in geordneter Reihenfolge aus. Die Iteration ermöglicht die gezielte Bestimmung mehrerer aufeinander folgender betragskleinster Eigenwerte, wie es im Bauwesen insbesondere für Stabilitäts- und Schwingungsanalysen erforderlich ist. Die Anwendung dieses Verfahrens hat gezeigt, daß ein Teil der gesuchten Eigenwerte mit wenigen Iterationszyklen bestimmt werden kann, während andere eine größere Anzahl von Iterationszyklen erfordern. Diese lokale Konvergenzverschlechterung kann durch eine Jacobi-Randkorrektur, wie sie im Beitrag näher erläutert wird, behoben werden.
Die Eisenbahnbrücken des Lehrter Bahnhofs in Berlin - Ein ganzheitliches FE-Berechnungskonzept
(2000)
Der Komplexität moderner Brückenbauwerke scheinen die verwendeten Berechungsmodelle oft nicht angemessen. Tragwerksberechnungen basieren in vielen Fällen noch auf der Vorgehensweise, das Brückenbauwerk in Einzelbauteile zu zerlegen und mit unterschiedlichen Teilmodellen zu behandeln. Das erscheint, auch vor dem Hintergrund ständig wachsender Rechnerleistung, nicht mehr zeitgemäß. Dies gilt zum Beispiel auch für die gängige Praxis, flächenhafte Brückenüberbauten mit Balkenmodellen zu berechnen. Der vorliegende Beitrag stellt ein ganzheitliches Berech-nungskonzept vor, welches auf der Basis eines einzigen FE-Modells die Berechnung des Gesamtbauwerks erlaubt. Damit wird für alle Bauteile neben der Zustandsgrößenberechnung auch die Bemessung von Stahl- und Spannbetonbauteilen bis hin zu Nachweisen wie zur Beschränkung der Rissbreite geführt. Die Anwendung dieses Berechnungskonzeptes wird am Beispiel der Eisenbahnüberführung des neuen Lehrter Bahn-hofs in Berlin gezeigt. Das verwendete FE-Modell umfasst Baugrund, Fundamente, Stahl- bzw. Gußstahlunterkonstruktion sowie den Stahl- bzw. Spannbetonüberbau. Besonderheiten sind unter anderem die Modellierung des plattenbalkenartigen Überbaus durch exzentrische, vorspannbare Schalenelemente und das getrennte Vorhalten von tragwerks- und lastbezogenen Eingabefiles. Damit gelingt die sequentielle Erfassung unterschiedlicher Bettungsmoduli zur Simulation statischer und dynamischer Beanspruchungen, die Berücksichtigung des Anspannens und der Interaktion zwischen vorgespannten Stahlverbänden zur Aufnahme von Horizontallasten sowie die Berücksichtigung unterschiedlicher statischer Systeme bei der Herstellung des Spannbetonüberbaus.
Es wird das gemeine Schema der Projektierung, die die Analyse des Marktes einschließt, betrachtet, die Einschätzung der Nomenklatur und des Umfanges des Produktionsausstoßes der Erzeugnisse, und die Schlüsselaufgabe der Wahl der Regimes der Bearbeitung. Die letzte Aufgabe wird - konkretisiert es werden die Formeln berichtet und die Algorithmen der Optimierung nach den Kriterien der Produktivität und den Selbstkostenpreisen. Es sind die Formeln für die Produktivität der Systeme mit der flexiblen Verbindung, präzisiert sowie die Abhängigkeiten für die Standhaftigkeit bei den kleinen Geschwindigkeiten des Schneidens. Die Schlüsselwörter: der Markt, die Regimes der Bearbeitung, die Produktivität, der Selbstkostenpreis, die Optimierung
Bei komplexen Gründungskonstruktionen sind Planungsfehler durch eine konsistente Modellierung vermeidbar. Manuelle Berechnungsmethoden ermöglichen im allgemeinen ein dreidimensionales Vorgehen nicht. Numerische Berechnungsmethoden, wie z.B. die Finite-Element-Methode, sind ein optimales Werkzeug zur ganzheitlichen Simulation des Problems. Die für die Finite-Element-Analyse notwendige Diskretisierung komplexer Bau- grundstrukturen ist manuell nicht zu bewältigen. Der vorliegende Beitrag zeigt wie ein Finite-Element-Modell automatisch aus einem geotechnischen Modell unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Baugrund-Tragwerk-Struktur und des Bauablaufes erzeugt werden kann. Hierbei wird die Berücksichtigung der geometrischen und der mechanischen Besonderheiten bei der Netzgenerierung dargestellt.
Informations-und Kommunikationtechniken haben im Bauwesen noch nicht die gewünschten Vorteile für Kosten und Qualität von Bauobjekten erzielt. Die Vielfalt der dafür genutzten Systeme und Formate führt häufig zu Redundanzen und Informationsverlusten in den Planungs- und Bauprozessen sowie Problemen beim Datenaustausch zwischen den Systemen. Durch die Datenmengen, die in CAD, AVA, Terminplanung, Tabellenkalkulation, Textverarbeitung etc. durch unterschiedliche Beteiligte erzeugt werden, ist darüber hinaus das Risiko einer unterschiedlichen Datenaktualität enorm. Als Konsequenz dieser Erkenntnisse bestand die Aufgabe, eine ganzheitliche und durchgängige Produkt- und Prozeßstrategie für den preiswerten Einfamilienhausbau zu entwickeln. Die Grundlage dafür bildet ein komplexes System von rationellen Entwurfsregeln, Konstruktionslösungen und Bau- und Baustofflogistikkonzepten auf der Basis moderner Informations- und Kommunikationstechnologien.
Die Entwicklung von Projekten des Hoch- und Industriebaus ist durch eine Vielzahl von zu verarbeitenden Informationen und Bewertungsgrundlagen in den Planungsphasen der Bau-land- sowie der Hoch- und Industriebauentwicklung für die Kostenkalkulation geprägt. Die Identifizierung, Beschaffung, Verwaltung und Verarbeitung dieser nach Art, Form und Inhalt bei den Kommunikationspartnern verteilt vorliegenden Informationen führt zu komplexen Planungsprozessen. Zur Bewältigung dieser Komplexität ist die Bauprojektentwicklung kooperativ in vernetzten Systemen durchzuführen. Insbesondere kann die Kostenkalkulation auf Basis der sich zeitlich verändernden Fachinformation im Netz effizient, zeitnah und mit hoher Qualität durchgeführt werden. Die bisher eingesetzten Methoden und Verfahren unterstützen die Projektplaner bei der Datenerfassung und -verarbeitung der kostenrelevanten Informationen nur in lokalen Computernetzen. Die Erfassung von Kosteninformationen, wie zum Beispiel Kostenschätzungen zur Planung von Projekten oder die im Laufe der Projektentwicklung entstehenden Kosten, liegen jedoch verteilt bei den Projektpartnern vor. Es ist daher notwendig, zur Vermeidung von Erfassungs-fehlern und zur Steigerung der Kooperation der Projektpartner bei der wirtschaftlichen Kalkulation von Bauprojekten, den Projektpartnern eine rechnergestützte und projektweite Kalkulation unter Nutzung von Computernetzwerken zu ermöglichen. Die Autoren stellen ein agenten-basiertes Kooperationsmodell für die Kosten-Kalkulation in Rahmen der Bauprojektentwicklung in vernetzten Systemen vor, das durch Strukturierung der Planungsinformationen die selbständige Suche nach klar definierten Informationen auf Basis mobiler Internet-Agenten dynamisch-adaptiv unterstützt.
The US Department of Highways is embarked on a very ambitious program to renovate much of the bridges and highways allover the USA. While it is doing so, it is also trying to take advantage of using such program to enhance the research for future programs. One of those projects is a 1000 ft. (305 m) long concrete bridge in the State of Vermont, located in the North East of USA. It is scheduled for renovation, in which the deck and its side parapet walls will be replaced. New England Transportation Consortium (NETC) decided to make further use of this project to find what effect will the heavy demolition tools have on the concrete to remain in place. The goal is to find out the extent of the experimental measurement agreement with the analytical results. In order to accomplish such a goal, numerous strain gages were installed at and in the vicinity of the demolition areas. Those gages will measure the effect of the demolition on the adjacent areas, and how far the destructive effect of the powerful demolition tools can propagate through different parts of the structure. The gages are connected to National Instruments data acquisition equipment, which is connected to a lap top computer to save all the acquired data. The analytical part the project will be using the energy method, which means that the energy applied by the demolition tools should equal the energy absorbed by the demolished structure, in elastic and plastic deformation forms.