Title A shear deformable beam model for stability analysis of composite frames : doctoral dissertation
Title (croatian) Gredni model s uključenim utjecajem posmičnih deformacija za analizu stabilnosti kompozitnih okvirnih konstrukcija : doktorski rad
Author Damjan Banić
Mentor Goran Turkalj (mentor)
Mentor Domagoj Lanc (komentor)
Committee member Josip Brnić (predsjednik povjerenstva)
Committee member Zdenko Tonković (član povjerenstva)
Committee member Nicholas Fantuzzi https://orcid.org/0000-0002-8406-4882 (član povjerenstva)
Granter University of Rijeka Faculty of Engineering Rijeka
Defense date and country 2023-08-09, Croatia
Scientific / art field, discipline and subdiscipline TECHNICAL SCIENCES Mechanical Engineering
Universal decimal classification (UDC ) 62 - Engineering. Technology in general
Abstract This dissertation addresses the issue of non-linear stability of frame structures consisting of
thin-walled composite beam elements. To this end, a numerical approach is presented that involves the development of an original 1D finite element model. The research delves into several
key aspects. Firstly, the dissertation introduces the research problem and scientific motivation
and outlines the main objectives and purpose of the study. A brief overview of previous studies
on buckling of thin-walled composite beams is also provided.
The study delves into composite materials, with a particular emphasis on fiber-reinforced
composites. It explores the macromechanics of single-layer composites, specifically those with
arbitrarily oriented layers under plane stress and deformation conditions.
The research also focuses on the fundamentals of mechanics for thin-walled composite beam supports, considering the influence of shear deformations. The underlying assumptions of
the proposed model are discussed, and the displacement field of the thin-walled cross-section
is defined, considering both linear and nonlinear components. The internal forces of the crosssection are analyzed, particularly for cross-ply and angle laminated cross-sections. The dissertation also describes the procedure for calculating the cross-section properties. In addition, a
computer program CCSC for the calculation of composite cross-section properties has been
developed.
A finite element formulation is presented to analyze the stability of the frame structures.
The model is designed to perform both linearized and nonlinear stability analysis. The finite
element of the beam consists of 14 degrees of freedom and employs the principle of virtual
work to derive the elastic and geometric stiffness matrices. The nonlinear analysis is performed
using an incremental iterative method based on the generalized displacement control method.
The updated Lagrangian formulation is utilized to solve the equilibrium equations.
The dissertation includes the development of the THINWALL V18 computer program, and
a large number of examples are analyzed to validate the numerical model, considering different
cross-sections of symmetric and balanced composites, as well as various boundary conditions
and different frame structures.
The study concludes with a discussion of the contributions and scientific achievements. It
also identifies possible directions for future research and suggests improvements in the field of buckling of thin-walled composite beams, particularly with regard to the inclusion of shear
deformations. Overall, this dissertation provides a comprehensive numerical approach to evaluate the nonlinear stability of frame structures composed of thin-walled composite beam elements. By enhancing the understanding and optimization of such structures, this research contributes to the advancement of structural engineering in the field of composite materials.
Abstract (croatian) Ovaj doktorski rad bavi se pitanjem nelinearne stabilnosti okvirnih konstrukcija sastavljenih od tankostijenih kompozitnih grednih nosača. Predstavljen je numerički pristup za rješavanje ovog problema, uključujući razvoj izvornog 1D modela pomoću metode konačnih elemenata. Istraživanje se bavi s nekoliko ključnih aspekata. Prvo, doktorski rad uvodi problem istraživanja i motivaciju, ocrtavajući glavne ciljeve i svrhu istraživanja. Također daje pregled prethodnih istraživanja o izvijanju tankostjenih kompozitnih grednih konstrukcija.
Istraživanje se bavi kompozitnim materijalima, s posebnim naglaskom na kompozite ojačane vlaknima (fiber reinforced composites). Istražuje makromehaniku jednoslojnih kompozita, posebno onih s proizvoljno orijentiranim slojevima pod ravninskim stanjem naprezanja i
ravninskim stanjem deformacije.
Istraživanje je također usredotočeno na osnove mehanike tankostjenih kompozitnih grednih nosača s utjecajem posmičnih deformacija. Raspravljaju se pretpostavke na kojima se temelji predloženi model i definira polje pomaka tankostjenog poprečnog presjeka, uzimajući u
obzir linearne i nelinearne komponente. Analizirane su rezultante unutarnjih sila poprečnog
presjeka, posebno za poprečne presjeke koji sadrže takozvane cross-ply laminate i angle-ply
laminate. U doktorskom radu je opisan postupak proračuna karakteristika poprečnog presjeka.
Također je razvijen program CCSC za izračun karakteristika kompozitnog poprečnog presjeka.
Prikazana je konačno elementna formulacija za analizu stabilnosti okvirnih konstrukcija.
Model je dizajniran za izvođenje linearizirane i nelinearne analize stabilnosti. Gredni konačni
element sastoji se od 14 stupnjeva slobode i koristi princip virtualnih radova za izvođenje elastične i geometrijske matrice krutosti. Nelinearna analiza provodi se primjenom inkrementalnoiterativnog postupka koji se temelji na takozvanoj generalised displacement control metodi. Za
rješvanje ravnotežnih jednadžbi koristi se Updated Lagrangian formulacija.
Doktorski rad uključuje izradu računalnog programa THINWALL V18. Analizirani su različiti primjeri za validaciju numeričkog modela, uzimajući u obzir različite poprečne presjeke
sastavljene od takozvanih symmetric i balanced kompozita, kao i različite rubne uvjete i različite tipove okvirnih konstrukcija. Na kraju, istraživanje završava raspravom o doprinosima i znanstvenim dostignućima. Također ocrtava potencijalne pravce budućih istraživanja i predlaže poboljšanja u području izvijanja tankostjenih kompozitnih grednih konstrukcija, s naglaskom na uključivanje posmičnih
deformacija.
Općenito, ova doktorska disertacija nudi sveobuhvatan numerički pristup procjeni nelinearne stabilnosti okvirnih konstrukcija sastavljenih od tankostijenih kompozitnih grednih elemenata. Poboljšanjem razumijevanja i optimizacije takvih konstrukcija, ovo istraživanje pridonosi
napretku konstrukcijskog inženjerstva u području kompozitnih materijala.
Keywords
thin-walled composite cross-section
laminates
shear deformations
shear coupling effects
beam model
buckling analysis
Keywords (croatian)
tankostjeni kompozitni presjek
laminati
posmične deformacije
interakcije posmičnih defomacija
gred
Language english
URN:NBN urn:nbn:hr:190:882799
Promotion 2023
Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Study programme type: university Study level: postgraduate Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
Type of resource Text
Extent XI, 136 str. ; 30 cm
File origin Born digital
Access conditions Open access
Terms of use
Created on 2023-10-16 13:17:14