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Engineering Thesis Giuseppe Di Palma

Date post: 04-Dec-2015
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my Thesis in Structural Engineering (Italy, University of Salerno)
208
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE Tesi di Laurea in Tecnica delle Costruzioni A NEW TIMOSHENKO-BASED ANALYTICAL MODEL FOR STEEL-CONCRETE COMPOSITE BEAMS IN PARTIAL INTERACTION RELATORE CANDIDATO Prof. Ing. Ciro Faella Giuseppe Di Palma CORRELATORE Matr. 163/000542 Dott. Ing. Enzo Martinelli Anno Accademico 2007/2008
Transcript

 

 

 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO 

FACOLTÀ DI INGEGNERIA 

 

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE 

 

       Tesi di Laurea in 

Tecnica delle Costruzioni   

A NEW TIMOSHENKO-BASED ANALYTICAL

MODEL FOR STEEL-CONCRETE COMPOSITE BEAMS

IN PARTIAL INTERACTION

 RELATORE  CANDIDATO 

Prof. Ing. Ciro Faella  Giuseppe Di Palma 

CORRELATORE  Matr. 163/000542 

Dott. Ing. Enzo Martinelli 

 

Anno Accademico 2007/2008

 

 

In the Name of Allah, the Most Gracious, the Most Merciful 

«  Read!, In the Name of your Lord Who has created, 

He has created man from a clot , 

Read!, and your Lord is the Most Generous, 

Who has taught by the pen, 

He has taught man that which he knew not » . 

  

 

 

The Noble Qur’an, Surat XCVI, 1‐5 

 

 

 

 

Ai miei cari Genitori: 

senza i loro sacrifici, la loro pazienza e il loro incoraggiamento 

 questa Tesi non sarebbe stata mai scritta. 

Grazie. 

 

Sommario 

1.Introduction  1 1.1State of the art  1

2.A Timoshenko‐based model for composite beams in partial interaction  7 2.1Key geometric and mechanical properties of the composite cross section  7 2.2Model equations  8

2.2.1 Equilibrium equations  8 2.2.2 Constitutive laws  11 2.2.3 Global equilibrium equation  13 2.2.4 Compatibility equation  throughout the interface  13 2.2.5 Equilibrium equation throughout the interface  14 2.2.6 Stress‐strain law for shear connection  15

3.Outline of the governing equations  16 3.1The system of three equations in three unknown functions  16 3.2Displacement formulation  18

3.2.1 Deducing the problem dimensions  19 3.2.2 Differential equation in terms of deflection  22 3.2.3 Deriving the other  parameters  25

3.3Extended Newmark’s equation in terms of curvature  30

4.Solution in the elastic range  36 4.1Composite beam under axial force  36 4.2Composite beam in bending  37

4.2.1 Non‐redundant beams in bending  40 4.2.2 Boundary conditions for non‐redundant beams  42 4.2.3 Redundant beams in bending  47 4.2.4 Boundary conditions for redundant beams  48

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

ii 

 

5.Stiffness matrix  55 5.1Identification of the problem  55 5.2Coefficients of the stiffness matrix  57

5.2.1 General procedure for deriving the integration constants  57 5.2.2 Stiffness matrix: the first column  62 5.2.3 Stiffness matrix: the second column  69 5.2.4 Stiffness matrix: the third column  78 5.2.5 Completing the stiffness matrix  90

5.3Vector  of  the  external  nodal  force  and  vector  nodal  forces  equivalent  to distributed action  91

5.3.1 Vector of the external  nodal forces  91 5.3.2 Vector nodal forces equivalent to distributed actions.  91

6.Applications  117 6.1Simply‐supported composite beam  117

6.1.1 Solutions in terms of displacements  120 6.1.2 Comparisons between Timoshenko and Bernoulli model  123 6.1.3 Solution by matrix method  136

6.2Continuous composite beam  151 6.2.1 Analytical solution  151 6.2.2 Comparison between  Timoshenko and Bernoulli model  158 6.2.3 Solution by matrix method  170 6.2.4 Solutions in terms of forces  185 6.2.5 Comparisons  between  Timoshenko  model  and  Bernoulli model                                                                                                           186

7.Conclusions  198

8.Bibliography  199

   

 

 

 

 

1. Introduction 

Structural  behaviour  of  steel‐concrete  composite  beams  and 

structures  is  generally  influenced  by  several  phenomena  related  to  the 

behaviour  of  steel  and  concrete  as  well  as  the  behaviour  of  shear 

connectors.    

The present thesis is aimed to derive stiffness matrix of the composite beam 

under  sufficiently  general  hypotheses.  In  particular,  after  a  through 

examination  of  previous  works  in  the  scientific  literature,  various 

contributions  can  be  found,  and  a  complete  analytical  derivation  of  the 

stiffness  matrix  for  composite  beams  in  partial  interaction  behaving  to 

Bernoulli  theory, has been  already  formulated,  starting  from  the  original 

Newmark theory.                                                               

1.1   State of the art 

Timoshenko  [1] developed  a  theory  for  composite  beams with  two 

bonded materials using Bernoulli‐Euler beam  theory  for  each  component 

and constraining transverse displacements to be equal. Newmark et al. [2] 

established the governing equations for elastically connected steel‐concrete 

beams  neglecting  uplift  and  friction. Adekola  [3]  extended  this work  by 

including uplift and frictional effects. He proposed a finite‐ 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

 

difference  procedure  for  solving  the  differential  equation  for  uplift  and 

axial forces. Robinsion and Naraine [4] addressed the issue of whether the 

forces  at  the  interface  act on  the  concrete  slab or pull on  the  steel beam. 

Cosenza    and Mazzolani  [5]  proposed  a  new  solution  procedure  that  is 

suitable  for general  loading  conditions and McGarraugh and Baldwin  [6] 

used a  simple analytical model  to prove  that  the  strength of a  composite 

girder with partial interaction can be derived by nonlinear interpolation of 

the  beam  strength  for  the  extreme  cases  of  no  interaction  and  full 

interaction. For the study of the nonlinear behavior of composite members 

the existing  studies can be grouped  into  the  following  two categories:  (1) 

Finite‐element models utilizing beam, plate, shell, or brick  finite elements 

to  represent  in  great  detail  the  constituents  of  the  composite  structural 

element (such models are rather complex, very computationally  intensive, 

and  limited  to monotonic  loads);  and  (2)  1D beam  elements  that  capture 

salient  features of  the nonlinear behavior of composite girders within  the 

framework  of  Navier‐Bernoulli  beam  theory. Within  the  latter  category 

proposed models can be grouped  into  three categories:  (1) Full composite 

action models  based  on  displacement  interpolation  functions  with  fiber 

discretization of the cross section and uniaxial stress‐strain relations of the 

constituent  materials,  as  proposed  by  Mirza  and  Skrabek  [7]  for  the 

analysis of composite columns under uniaxial bending and El‐Tawil et al. 

[8]  under  biaxial  bending;  (2)  models  of  the  partial  composite  action 

between concrete and steel based on displacement  interpolation  functions 

for the concrete and steel component of the composite element, which  

Chapter I ‐ Introduction 

  3 

 

readily  supply  the  relative  longitudinal or  transverse displacement at  the 

interface;  in  this category belong  the  study by Daniel and Crisinel  [9]  for 

composite  beams  under  monotonic  loads,  the  study  by  Amadio  and 

Fragiacomo [10] for the effect of concrete creep and shrinkage in composite 

beams, the study by Hajjar et al. [11] for concrete‐ filled, steel tube columns, 

and the study by Salari et al. [12] for composite beams under cyclic  loads; 

and  (3)  recent  models  that  attempt  to  overcome  the  limitations  of 

displacement‐based  models  by  the  use  of  force  interpolation  functions 

(flexibility  formulation);  interest  in  this  type of nonlinear model  increased 

after the work by Ciampi and Carlesimo [14], who are the first to propose a 

consistent  implementation  of  the  flexibility  formulation  of  a  nonlinear 

Bernoulli  beam  element  within  the  framework  of  a  general  purpose 

nonlinear  analysis  program.  The  selection  of  suitable  force  interpolation 

functions that strictly satisfy element equilibrium is rather straightforward 

for  the  case of  a nonlinear Bernoulli beam  element;  in  this  case  the  fiber 

discretization of the cross section affords a convenient means of describing 

the complex hysteretic response of members under cyclic loading histories 

(Spacone  et  al.  [15]). Difficulties  arise,  however,  in  the  selection  of  force 

interpolation  functions  that  strictly  satisfy  equilibrium  for  cases  that 

involve  interaction  between  beam  displacements  and  internal  forces. 

Examples are an anchored reinforcing bar, a prestressed concrete girder, a 

steel‐concrete girder with partial composite action, and a slender column. 

Attempts to extend the advantages of a force‐based flexibility formulation 

to these cases have been recently reported (Yassin [16]; Ayoub and Filippou  

Giuseppe Di Palma    163/000542 

 

[17]; Monti et al. [19]; Neuenhofer and Filippou [20]; Salari et al.). With the 

exception  of  the  study  by Neuenhofer  and  Filippou, which  is,  however, 

limited to linear elastic material behavior, the other studies resort to ad hoc 

assumptions  for overcoming  the difficulty of deriving  force  interpolation 

functions  that  strictly  satisfy  equilibrium.  The  formulations  by  Yassin, 

Monti et al., and Ayoub and Filippou limit the interaction between the two 

components  to  the  end  nodes  of  the  element  and  assume  a  linear 

interpolation of bond or  friction  forces  in between. This  requires  a  small 

element size for accurate local response eliminating one of the advantages 

of  the  flexibility‐based  formulation  (Neuenhofer  and  Filippou).  To 

overcome  this weakness  Salari  et  al.  introduced higher  order  bond  force 

distribution  functions.  The  formulation,  however,  lacks  clarity  about  the 

relation between  the slip distribution  in  the element and  the element end 

displacements. Analytical results reveal interelement discontinuities of slip 

displacements in violation of variational principles. It is also not clear that 

the element can be extended to accommodate distributed element loads. In 

view of  the  limitations of  the displacement  formulation  (Neuenhofer and 

Filippou)  and  the difficulty of  selecting  force  interpolation  functions  that 

strictly  satisfy  equilibrium  for  problems with  strong  interaction  between 

displacements and internal forces, Ayoub and Filippou recently proposed a 

consistent mixed formulation of the anchored reinforcing bar problem with 

independent  interpolation  functions  for  the  axial  displacements  and  the 

reinforcing steel stresses. This formulation combines the advantages of the  

 

Chapter I ‐ Introduction 

  5 

 

displacement  and  force  formulations  while  overcoming  most  of  their 

limitations. 

More recently, Wu and Xu [22],[24] considered the Timoshenko kinematics 

for both  the connected members  in order  to derive a more general model 

under  similar  hypotheses.  Three  applications  were    proposed  in  the 

mentioned papers: 

• simulation of the behaviour of a beam in bending considering shear 

flexibility;   

• buckling  analysis  of  the  axially  loaded  beam‐columns  taking  into 

account   second order effects due to  flexural deflection;  

• dynamics and vibration analysis of composite beams. 

The  authors  provided  some  examples  and  the  deflection  values  at  the 

midspan  for  all  the  previously mentioned  three  cases.  The  value  of  the 

Euler  critical  load  has  been  also  provided  regarding  the  buckling  of  the 

beam. This work is the starting point of the present thesis whose final result 

consists  in  deriving  the  close‐form  expression  for  the  stiffness  matrix, 

including the shear flexibility effects . 

Ranzi and Zona [23] worked at the same problem, including the shrinkage 

effects  using  the Volterra  equation  and  they  solved  it  by  approximating  

with a linear function. 

A recent research by Sakr and Sakla [26] deals with beams with incomplete 

connections,  in presence of cracking. The distributed effects are taken  into 

account both in the cracked and uncracked stage. The non‐linear behaviour 

of the connection is modelled according to Ollgard as usually  

Giuseppe Di Palma    163/000542 

 

accepted  also within  the  previously mentioned  papers.  The  stress  strain 

relationship is the Volterra one which includes a stress function at a generic 

instant, so that it can be only numerically solved step by step. As far as the 

stress‐strain relationship of steel,  two Young moduli have  to be used: one 

for  the  steel beam  and one  for  the  internal  reinforcement of  the  concrete 

slab.  It can be seen  that  the setting of  this method  is  just  the same of  the 

FEM analysis. It has been observed  a substantial influence of the long‐term 

deformability of connection, especially for simply supported beams. 

Finally, more advanced studies try to model the stress‐strain relationship of 

the  materials  with  non‐linear  functions  and  take  into  account  the 

distributed effects of the cracking.   

The present work frames itself into the linear analysis of composite beams 

with flexible connection, and its purposes are to give a further contribution 

about  shear strains and  stresses. 

 

 

   

 

 7 

 

 

 

2. A Timoshenko‐based model for composite 

beams in partial interaction 

The key features of a brand‐new model for simulating the behaviour 

of  steel‐concrete  composite beams  in partial  interaction,  looking  after  the 

shear flexibility of both concrete slab and steel beam will be proposed. 

2.1   Key geometric and mechanical properties of the 

composite cross section  

The  typical  cross  section  of  a  steal  concrete  composite  beam  is 

represented in the Figure 2.1. 

 

Figure 2.1. Properties of the cross section. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

 

A geometric centroid of the section as a whole can be easily defined and its 

position  can be  referred  to  the  centroids  of  steel beam  and  concrete  slab 

through the following equations: 

2 2 1 11 1 1 2 2 2 1 2

1 1 2 2 1 1 2 2,E A E AE A y E A y y h y h

E A E A E A E A= ⇒ = =

+ +  (2.1)

 

2.2   Model equations 

The general equations of the mentioned model will be formulated in 

the present section. 

2.2.1 Equilibrium equations  

The governing differential equations will be derived considering the 

external  actions  and  the  internal  (generalized)  stresses  represented  in 

Figure 2.2 . 

 

Figure 2.2. An infinitesimal element of the composite beam. 

Chapter II –A Timoshenko‐based model for composite beams in partial interaction 

  9 

 

Among the former ones, the inertial actions can be defined as follows: 

,

,

d tt

d tt

F AvM I

ρρ ϕ

= −= −

  (2.2)

where: 

 1 1 2 2

1 1 2 2

A A AI I I

ρ ρ ρρ ρ ρ

= += +

  (2.3)

Second order effects are also considered in this stage. Figure 2.3 shows that 

the  axial  force  in  Timoshenko  beam  is  directed  as  the  axis  of  the  beam 

therefore  it  is  not  orthogonal  to  the  cross  section  because  of  the  shear 

flexibility (see the equation (2..4)): 

  , xvγ ϕ= +   (2.4) As a result, the angle between the axial direction and the horizontal one is 

defined  through  the  function  v(x);  according  to  Figure  2.3  the  second 

derivative of  deflection v(x) is always non‐positive (the x‐ axe  is  positive 

towards  the  right  and  the  deflection  is  positive  towards  the  bottom) 

therefore the second derivative is negative. 

 

Figure 2.3. Calculation of the force  FN. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

10 

 

Therefore the angle β  is estimated as: 

, xxv dxβ = −   (2.5)

and in case of  infinitesimal angles we have : 

senβ β=   (2.6) Therefore, the vertical force results as  ,xx-N v dx  (directed towards the top). 

Therefore assuming that the forces are positive towards the bottom we get 

as  a  result:  N ,xxF = N v dx .  According  to  the  hypothesis  of  small 

deformation,  the  dynamic  equilibrium  of  forces  in  vertical  direction  is 

eased to the following equation: 

  0i i dF F∑ + =   (2.7) and replacing the forces represented in  Figure 2.2: 

 , , ,

, , ,

0x xx tt

x tt xx

Q Q Q dx Nv dx qdx Av dxQ q Av Nv

ρρ

− + + + + − = ⇒= − + −

  (2.8)

and being N=F:  

, , ,x tt xxQ q Av Fvρ= − + −   (2.9)

where the infinitesimal parts of the  second order  are eliminated. 

According  to  the  hypothesis  of  small  deformation  and  the  dynamic 

equilibrium condition of moments, we have: 

0i i dM M∑ + =   (2.10) replacing the moments of forces  in  Figure 2.2: 

,, 0ttxM M M dx Qdx mdx I dxρ ϕ− + + − + − =   (2.11)

and simplifying: 

, ,x ttM m I Qρ ϕ= − + +   (2.12)

where the infinitesimal parts of the  second order  are eliminated. 

Chapter II –A Timoshenko‐based model for composite beams in partial interaction 

  11 

 

2.2.2 Constitutive laws 

General  constitutive  (stress‐strain)  relationships  have  to  be 

introduced to formulate the  composite beam model. 

Anelastic deformation can be also considered in those relationships for the 

sake of generality. 

In particular, Figure 2..4  shows the following imposed strain components: 

• thermal‐induced  anelastic  strain,  reproduced  by  a  linear  field 

throughout the composite beam depth; 

• shrinkage in concrete slab. 

The shrinkage axial deformation  is assumed with the positive sign  in case 

of the extension according to the usual conventions of  mechanics.  

 

Figure 2.4. The anelastic distributed effects. 

 

The expressions of  bending moments of  steel beam and  concrete slab can 

be stated as follows: 

• on the concrete slab: 

1 1 1 ,( )x TM E I ϕ ∆= −Θ   (2.13)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

12 

 

• on the steel beam: 

2 2 2 ,( )x TM E I ϕ ∆= −Θ   (2.14)

Considering  the  (generalized)  stress‐strain  relationship  for  shear,  the 

following formula can be introduced. 

,( )xQ KGA v ϕ= +   (2.15)

As a basic feature of the present model, shear force and the corresponding 

(generalized) strain are not defined for either the steel beam or the concrete 

slab,  but  deal  with  the  composite  cross  section  as  a  whole;  the  shear 

stiffness of the beam section is defined as follows: 

1 1 1 2 2 2KGA K G A K G A= +   (2.16) For the sake of simplicity, the following assumption will be considered for 

bending stiffness and other parameters: 

1 1 2 2

1 1 2 2 2

1 1 2 2

2 21 1 2 2 1 1 2 2

1 1 2 2 1 1 2 2

21 1 2 22

1 1 2 2

1 1 2 2

1 1 2 2

s

s s

s

EI E I E IE A E AEI EI hE A E A

EI k E A E A h E A E A EI EAk E A E A EI E A E A k

E A E A hkE A E A EI

E A E AEAE A E A

α

α

Σ = +

= Σ + =+

⎛ ⎞Σ + Σ= + =⎜ ⎟Σ +⎝ ⎠

⎛ ⎞+= +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

=+

 

(2.17)

 

 

 

 

Chapter II –A Timoshenko‐based model for composite beams in partial interaction 

  13 

 

2.2.3 Global equilibrium equation 

 Considering the beam in  Figure 2..5, two equilibrium equations can 

be  stated  as  follows,  including  the  normal  stresses  and  the  bending 

moments for  concrete slab and  steel beam.  

 

Figure 2.5. Global equilibrium. 

 

The equilibrium in horizontal direction leads to the following relationship: 

1 2N N N F= + =   (2.18)

while the equilibrium of  bending  moments  can be stated as follows : 

1 2 1 2-M M M N h Fy= + +   (2.19)

 

2.2.4 Compatibility equation  throughout the interface 

Considering    Figure  2.6, we  observe  that    rotation    is  common  for 

both steel beam and concrete slab. As a  result   of    the  interlayer   slip we 

have: 

2 1 1 2 2 1- - - - -su u u h h u u hϕ ϕ ϕ= =   (2.20)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

14 

 

 

Figure 2.6. The common rotation of the cross section.  

 

and  the  kinematic  assumptions  of  the  model  lead  to  the  following 

relationships: 

• on the concrete slab: 

 1

1, 1 11 1

-x sh TNu yE A

ε ε ∆= = + Θ   (2.21)

• on the steel beam: 

22, 2 2

2 2x T

Nu yE A

ε ∆= = +Θ   (2.22)

 

2.2.5 Equilibrium equation throughout the interface 

An interlayer distributed force Qs  arises at the interface between steel 

profile and concrete slab. This  interlayer distributed shear force should be 

related to the two normal stresses in N1 and N2  on  concrete slab and steel 

beam, respectively. 

Chapter II –A Timoshenko‐based model for composite beams in partial interaction 

  15 

 

 

Figure 2.7. Equilibrium in the interface. 

 

According to  Figure 2.7  in the concrete slab we have: 

1 1 1,- 0x sN N N dx Q dx+ + + = ⇒   1, -x sN Q=   (2.23)

and in the steel beams we have: 

2 2 2,- - 0x sN N N dx Q dx+ + = ⇒   2, x sN Q=   (2.24)

 

2.2.6 Stress‐strain law for shear connection  

According    to Hooke  rule  the  interlayer  distributed  shear  force  is 

determined by the linear expression:    

  s s sQ k u=   (2.25)

depending on the interlayer displacement us. 

   

 

 16 

 

 

 

3.  Outline of the governing equations 

The equations derived in the previous section can be condensed and 

simplified  to obtain  the key  set of  simultaneous  equations describing  the 

behaviour of shear flexible composite beams in partial interaction. 

3.1   The system of three equations in three unknown 

functions  

Deriving  the  expression  of  the  slip  (2.20)  and  introducing  the 

definitions of normal strains  (2.21)‐(2.22) we have: 

 

, 1, 2, 2 1 , 2

2 2

1 1 11 , 2

1 1 2 2 1 1

1 , 12 2 1 1 2 2

,

-

1 1

s x xxs x x T

s s

sh T x T

sh T x

sh T x

Q N Nu h yk k E A

N F N Ny h yE A E A E A

Fy h NE A E A E A

h h

ε ε ϕ

ε ϕ

ε ϕ

ε ϕ

∆ ∆

+ ∆

+ ∆

= = − = − − = +Θ +

−⎛ ⎞− + Θ − = +Θ − +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞− Θ − = − + +⎜ ⎟⎝ ⎠

− Θ −

  (3.1)

from which we get: 

1, 1 ,2 2 1 1 2 2

1 ,2 2 1 1 2 2

1 1

1 1

xx s sh T x

ss s sh s T s x

FN k N h hE A E A E A

F k N k k k h k hE A E A E A

ε ϕ

ε ϕ

+ ∆

− ∆

⎛ ⎞⎛ ⎞= − − + − Θ − =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠⎛ ⎞= − + + + Θ +⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.2)

and as a result: 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  17 

 

 1

1, ,2 2

sxx s s sh s T s x

F k NN k k k h k hE A EA

ε ϕ− ∆= − + + Θ +   (3.3)

Furthermore, introducing  the expressions of  bending moments (2.13) and 

(2.14)  into the equation (2.19) we obtain : 

  1 1 , 2 2 , 1 2( ) ( )x T x TM E I E I N h Fyϕ ϕ∆ ∆= −Θ + −Θ − +   (3.4)

from which we have: 

 1 2

, x TM N h Fy

EIϕ ∆

+ −= +Θ

Σ  (3.5)

introducing  the equation (3.5) into (3.4) we get : 

1 1 21,

2 2

1 1 2

2 2

sxx s s sh s T

ss T s s sh s

Fk N M N h FyN k k k hE A EA EI

Fk N M N h Fyk h k k k hE A EA EI

ε

ε

+ −⎛ ⎞= − + + + +Θ +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠+ −

− Θ = − + + +Σ

  (3.6)

and  the  following  expression  can  be  finally  obtained  after  some 

mathematical simplification: 

 2

21, 1

2 2

11 sxx s s s sh

h k hM hyN k N k F kEA EI EI E A EIε

⎛ ⎞ ⎛ ⎞− + = − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠  (3.7)

The definitions (2.17) can be introduced obtaining the following equation: 

221, 1

2 2

1sxx s s sh

k hM hyN N k F kEI E A EI

α ε⎛ ⎞− = − + +⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠  (3.8)

Deriving  (2.19)  and  introducing  (2.12)    the  following  equation  can  be 

obtained: 

  , 1, 2, 1, ,x x x x ttM M M N h m I Qρ ϕ= + − = − + +   (3.9)

that is: 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

18 

 

 1 1 , , 2 2 , , 1, ,

, , 1, ,

( ) ( )( )

xx T x xx T x x tt

xx T x x tt

E I E I N h m I QEI N h m I Q

ϕ ϕ ρ ϕϕ ρ ϕ

∆ ∆

−Θ + −Θ − = − + +Σ −Θ − = − + +

  (3.10)

and the following equation can be finally obtained: 

  , , , 1,xx T x tt xEI EI I N h m Qϕ ρ ϕ∆ −Σ −Σ Θ − + =   (3.11)

Finally,  deriving  equation  (2.15), through the (2 .9)  one  gets: 

  , , , , ,( )x xx x tt xxQ KGA v q Av Fvϕ ρ= + = − + −   (3.12)

that is finally: 

, , , ,( )xx x xx ttKGA v Fv Av qϕ ρ−+ + = −   (3.13)

To  sum  up  briefly,  the  governing  equations  of  the  problem  result  being 

listed in the following set of simultaneous equations:  

221, 1

2 2

, , , 1,

, , , ,

1

( )

sxx s s sh

xx T x tt x

xx x xx tt

k hM hyN N k F kEI E A EI

EI EI I N h m Q

KGA v Fv Av q

α ε

ϕ ρ ϕ

ϕ ρ

∆ −

⎧ ⎛ ⎞− = − + +⎜ ⎟⎪ Σ Σ⎝ ⎠⎪⎪Σ −Σ Θ − + =⎨⎪⎪

+ + = −⎪⎩

  (3.14)

The above set of the three equations involves the unknown functions  N1(x), 

φ(x) e v(x). 

3.2   Displacement formulation  

The  three equations obtained  in  the previous  section  can  further be 

worked and simplified  to obtain a single differential equation  in  terms of 

(generalized)displacement. 

 

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  19 

 

3.2.1 Deducing the problem dimensions 

The  obtained  set  of  equations  can  be  reduced  into  the  equation 

depending  on  the  function  v(x).The  first  two  equations  (3.14)  can  be 

simplified  by  eliminating    function  N1(x).  Indeed,  considering  equation 

(3.11) the following equation can be derived: 

( )

11, ,

2 2

, , , , ,

, , , ,

, ,1

sxx s s sh s T s x

xxx T xx ttx x x

xxx T xx ttx x

tt xx

F k NN k k k h k hE A EA

EI EI I m Qh h h h h

EI EI I mh h h h

q Av Fvh

ε ϕ

ϕ ρ ϕ

ϕ ρ ϕ

ρ

− ∆

= − + + Θ + =

⎛ Σ Σ Θ ⎞= − − + − =⎟⎜ ⎠⎝Σ Σ Θ⎛= − − + +⎜

⎝⎞− − + − ⎟⎠

  (3.15)

in which N1  can be obtained as follows   : 

1 ,2 2

, , , , , ,

ss sh s T s x

s

xxx T xx ttx x tt xx

EA F kN k k h k hk E A

EI EI I m q Av Fvh h h h h h h

ε ϕ

ϕ ρ ϕ ρ

⎛= − + Θ − +⎜⎝

Σ Σ Θ ⎞+ − − + + − + ⎟⎠

 

(3.16)

Deriving N1  twice with respect to the abscissa x, we have: 

,1, , , ,

, , , , , ,

xxxxxxx s sh xx s T xx s xxx

s

T xxxx ttxxx xxx xx ttxx xxxx

EA EIN k k h k hk h

EI I m q Av Fvh h h h h h

ϕε ϕ

ρ ϕ ρ

Σ⎛= − + Θ − + +⎜⎝

Σ Θ ⎞− − + + − + ⎟⎠

  (3.17)

From the last two equations we have: 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

20 

 

,, , ,

, , , , , ,

,2,

2 2

, , , , ,

xxxxxs sh xx s T xx s xxx

s

T xxxx ttxxx xxx xx ttxx xxxx

s xxxs sh s T s x

s

T xx ttx x tt xx

EA EIk k h k hk hEI I m q Av Fv

h h h h h hEA F k EIk k h k hk E A hEI I m q Av Fvh h h h h h

ϕε ϕ

ρ ϕ ρ

ϕα ε ϕ

ρ ϕ ρ

Σ⎛− + Θ − + +⎜⎝

Σ Θ ⎞− − + + − + +⎟⎠

Σ⎛− − + Θ − + +⎜⎝

Σ Θ ⎞− − + + − +

[

]

,2 2

, , , , ,,

, 22

2 2

1 0

s sx T s sh s T

s

xxx T xx ttx x tts x

xxs s sh

k h EA F kEI EI h k k hEI k E A

EI EI I m q Avk hh h h h h h

Fv hyFy k F kh E A EI

ϕ ε

ϕ ρ ϕ ρϕ

ε

∆ ∆

+⎟⎠

⎛− Σ −Σ Θ − − + Θ +⎜Σ ⎝Σ Σ Θ

− + − − + + − +

⎞ ⎛ ⎞+ + + + − =⎟ ⎜ ⎟Σ⎠ ⎝ ⎠ 

(3.18)

The following equation can be obtained through suitable simplifications: 

, , ,

2 2, ,

2, ,

2,

2

xxxxx ttxxx ttxxs s s

xxx ttxs s

tt xxxxs s

xxs

EI EA I EA AEAvhk hk hk

EI EA I EA I hEAhk hk EI

AEA AhEA F EAv vhk EI hk

F EA F hEAvhk EI

ρ ρϕ ϕ

ρ ρϕ α ϕ α

ρ ρα

α

α

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ+ − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ

+ − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞

+ − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞

+ − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

−2

2 2 2 2 2 2

31 1 2 22

,

s s

s s sx

EA EAk h k FE A E A EI E A

E I k h E I k h k h EAhEAEI EI EI

α ϕ

⎛ ⎞− − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

⎛ ⎞− − + + + =⎜ ⎟Σ Σ Σ ⎠⎝

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  21 

 

( )

2 2

22

,

32 2

,

,

, ,

,

s s s

ssh s sh xx

s

sT s T xx

s

T xxxxs

EA hEA EA EA hEAq q xx m xhk EI hk hk EI

EA h EAkm xxx EA k EAhk EI

k h EA EI EAEAh k hEI hk

EA EIhk

α α

ε α ε

α α∆ ∆

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − + − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞⎛ ⎞+ − − − − − − +⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ+Θ − − +Θ − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎠⎝

⎛ ⎞Σ+Θ ⎜ ⎟

⎝ ⎠

  (3.19)

The last two terms of the left‐hand member are both zero. Compacting the 

other elements we have : 

, , ,

2 2, ,

2, ,

2 2,

xxxxx ttxxx ttxxs s s

xxx ttxs s

tt xxxxs s

xxs

EI EA I EA AEAvhk hk hk

EI EA I EA I hEAhk hk EI

AEA AhEA F EAv vhk EI hk

F EA F hEA EAv qhk EI hk

ρ ρϕ ϕ

ρ ρϕ α ϕ α

ρ ρα

α α

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ− − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ

− + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞

+ − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞

− − =⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

( )

2

2, , ,

, , ,

s

s s s

sh xx T xx T xxxxs s

hEAEI

EA EA hEA EAq xx m x m xxxhk hk EI hk

EI EA EA EIEAhk hk

α

ε α∆ ∆

⎛ ⎞− +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− + − − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞Σ Σ+ −Θ +Θ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (3.20)

Observing that : 

2 2

s s

EA hEA EA EIhk EI hk EI

α α⎛ ⎞ Σ

− =⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (3.21)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

22 

 

and multiplying equation (3.20) by ks h/ ΣEI EA the following equation can 

be derived: 

( )

( )

2 2, , , , ,

22

, , ,

2

, , ,

, , ,1

xxxxx ttxxx ttxx xxx ttx

tt xxxx xx

x T xx sh xx

xx xxx T xxxx

I A IvEI EI EI

A Fv v FvEI EI EI

q m EI EA hEI

q m EIEI

ρ ρ ρϕ ϕ α ϕ α ϕ

ρ αα

α ε∆

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− − − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − =⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= + −Θ + +

− + −Θ ΣΣ

  (3.22)

The above equation    is equivalent  to  the  first  two ones  reported  in  (3.14) 

and has to be completed by the third one for obtaining the first solution. 

3.2.2 Differential equation in terms of deflection  

The  simultaneous  differential  equations  have  to  be  reduced  for 

deriving  the  only  differential  equation  similarly  to  the  problem  of 

Timoshenko  beam. From the third equation of the system (3.14) we have : 

  ( ), , , ,1

x tt xx xxq Av Fv vKGA

ϕ ρ −= − + −   (3.23)

The following equation can be derived by introducing equation (3.23) into 

the (3.22): 

 

 

 

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  23 

 

 

[ ]

[{ ] }

[ ]{

} [ ]

, , , ,

, , , ,

2, , , ,

2, , , , ,

2

1

1

1

1

xxxx ttxxxx xxxxxx xxxxxx

ttxx ttttxx xxxxtt xxxxtt

ttxx xx ttxx xxxx

xxxx tt tttt xxtt xxtt

q Av Fv vKGAI q Av Fv vEI KGAA v q Av FvEI KGA

Iv q Av Fv vEI KGA

AEI

ρ

ρ ρ

ρ α ρ

ρα ρ

ρα

⎧ ⎫− + − − +⎨ ⎬⎩ ⎭

− + − + − − +Σ

− − − + − +Σ

⎧ ⎫− + − + − − +⎨ ⎬⎩ ⎭

+

( )

( )

2

, , ,

2

, , ,

, , ,1

tt xxxx xx

x T xx sh xx

xx xxx T xxxx

Fv v FvEI EI

q m EI EA hEI

q m EIEI

α

α ε∆

+ − =Σ

= + −Θ + +

− + −Θ ΣΣ

  (3.24)

A  few  easy  simplifications  lead  to  the  following  equation  in  terms  of 

deflection: 

, ,

2 2

, ,

2 2, ,

2,

1 1

1

1

xxxxxx xxxxtt

ttttxx xxtt

tttt tt

xxxx

F A I Fv vKGA KGA EI KGA

A I A A I Fv vKGA EI EI KGA EI KGA

A I Av vKGA EI EI

F FvKGA EI

ρ ρ

ρ ρ ρ α ρ α ρ

ρ ρ ρα α

α

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎛ ⎞ ⎛ ⎞− − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎡ ⎛ ⎞− + +⎜ ⎟⎢ Σ⎝ ⎠⎣

( )

( )

2,

2

, , ,

, , ,

2, , , ,

1

1

xx

x T xx sh xx

xx xxx T xxxx

xxxx xx ttxx tt

FvEI

q m EI EA hEI

q m EIEI

I Iq q q qKGA EI EI

α

α ε

ρ ρα

⎤+ =⎥

= − + −Θ + +

+ + −Θ Σ +Σ

⎛ ⎞− − − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

  (3.25)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

24 

 

The  above  equation  represents  in  the  dynamic  field  the  equation  of  the 

deflection  in   presence of  the constant axial  force   and of  the  finite   shear 

stiffness ( that is F≠0 and [(KGA L2)/EI] ≠ ∞). 

In the static field the above equation is simplified as follows: 

( )

( ) ( )

2 2, , ,

2

, , ,

2, , , , ,

1 1

1 1

xxxxxx xxxx xx

x T xx sh xx

xx xxx T xxxx xxxx xx

F F F Fv v vKGA KGA EI EI

q m EI EA hEI

q m EI q qEI KGA

α α

α ε

α

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + + + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

= − + −Θ + +

+ + −Θ Σ − −Σ

 

(3.26)

As the axial force F=0 , the following equation can be derived: 

( )

( ) ( )

22

, , , , ,

2, , , , ,

1 1

xxxxxx xxxx x T xx sh xx

xx xxx T xxxx xxxx xx

v v q m EI EAhEI

q m EI q qEI KGA

αα ε

α

− = − + −Θ + +

+ + −Θ Σ − −Σ

  (3.27)

If no shear flexibility is assumed, the Timoshenko equation usually reduces 

to the   Bernoulli’s one and  the following equation can be obtained as  F=0: 

( )

( )

22

, , , , ,

, , ,1

xxxxxx xxxx x T xx sh xx

xx xxx T xxxx

v v q m EI EAhEI

q m EIEI

αα ε∆

− = − + −Θ + +

+ + −Θ ΣΣ

  (3.28)

Finally,  equation  (3.28)  reduces  to  the  usual  differential  equation  of  the 

Bernoulli beam as a completely stiff connection is considered ( Lα →∞ ) : 

( ), , , ,1

xxxx x T xx sh xxv q m EI EAhEI

ε∆= + −Θ +   (3.29)

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  25 

 

while,  as  absent  connection  occurs  ( 0Lα → ),  the  equation  of  the  beam 

with flexural stiffness ΣEI is obtained: 

( ), , , ,1

xxxxxx xx xxx T xxxxv q m EIEI

∆= + −Θ ΣΣ

  (3.30)

As concrete slab is connected to  steel beam , for  Lα →∞ , shrinkage axial 

deformation  causes the bending moment  . Therefore, such shrinkage axial 

deformation    appears  in  the  equation  of  bending  (3.29).  However,  no 

bending moment arises by  shrinkage  in concrete  for  the case of  0Lα → . 

As  a  result,  shrinkage  axial  deformation  freely  occurs  in  concrete  slab 

(which is not constrained by steel beam through any friction or connection)  

and it does not appear in equation of the flexion. 

3.2.3 Deriving the other  parameters  

The following statements are valid only  in the static field . 

Equation    (2.19)  in  terms of   bending   moment M  can be  transformed as 

follows: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

26 

 

, ,2 2

, ,

, , ,, ,

,2 , 1

sxx xx T

s

s xx xx s sh s T

xx T xx xxxxx xxxx

xxxxxx

s

q F hEA F kM EI v vKGA KGA k E A

q Fk h v v k k hKGA KGA

EI q F EI m qv vh KGA KGA h h hFv EA EI FFy vh k KGA

v

ε

⎛ ⎞ ⎡= Σ − − − −Θ − +⎜ ⎟ ⎢⎝ ⎠ ⎣⎛ ⎞− − − − − + Θ +⎜ ⎟⎝ ⎠

Σ Σ Θ⎛ ⎞+ − − − − + + +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎡ Σ ⎤⎤ ⎛ ⎞+ + = + +⎜ ⎟⎢ ⎥⎥⎦ ⎝ ⎠⎣ ⎦

+

[ ] ( )

2,

2

, ,

22 2

,

1 1xxs

xx xs s s

T sh

T xxs

F F EA FEI EAhKGA KGA k

EI EAh EA EI EA EAq q mKGA KGA k KGA k k

F EA hF Fy EI EA hE A

EI EAk

ε∆

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞−Σ + − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎡ ⎤Σ Σ ⎛ ⎞+ − − − + + − +⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎣ ⎦⎡ ⎤+ − + +Θ − + +⎢ ⎥⎣ ⎦

⎡ ⎤Σ+Θ ⎢ ⎥

⎣ ⎦ 

(3.31)

The  term  involving F results as zero; compacting  the remaining  terms we 

obtain: 

( ) ( )

, ,

, ,

,

1 1xxxx xxs

xx xs s s s

T sh T xxs

EA EI F FM v v EIk KGA KGA

EA F EI EA EI EA EAq q mk KGA k KGA k k

EI EAEI EA hk

ε∆ ∆

⎡ Σ ⎤ ⎡⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣⎛ ⎞Σ⎤ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + + − +⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎥⎦ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

⎛ ⎞Σ−Θ + +Θ ⎜ ⎟

⎝ ⎠

  (3.32)

and finally: 

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  27 

 

( )

, ,2 2

, ,2 2 2

,2 2

1 1xxxx xx

xx x

sT sh T xx

EI F F EI FM v v EIKGA KGA EI

EI EI EI EIq q mKGA EI KGA EI

EI k h EIEIEI

α α

α α α

εα α

∆ ∆

⎡ ⎤⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎢ ⎥ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞

− + + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞−Θ + +Θ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎝ ⎠

 

(3.33)

The normal  stress  in  concrete  slab N1,  and  the normal  stress  in  the  steel 

beam   N2, are obtained  from  the  following equation which  is derived   by 

substituting   (3.23) into  (3.16): 

1 22 2

, , ,, ,

, , ,

ss sh s T

s

xx xx xxxxs xx xxxx

T xx x xx

EA F kN F N k k hk E A

q Fv EI q Fvk v h vKGA h KGA

EI m q Fvh h h h

ε ∆

⎧= − = − + Θ⎨⎩

+ Σ +⎛ ⎞ ⎛ ⎞− − − + − − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Σ Θ ⎫− + + + ⎬⎭

  (3.34)

that is reorganizing: 

,1 2

2 2

2, ,

,

,

1 1

1

s xxs sh s T

T xx x sxxxx

xx s

EI F k EI qN k k hEI E A h KGA

EI F EI m q k hvh KGA h h h KGA

F Fv k hh KGA

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ⎛ ⎞− + − + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎫⎡ ⎤⎛ ⎞+ + + =⎬⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦⎭  

(3.35)

Equation (2.12)  can be written in the static field. From this equation Q can 

be derived. Substituting equation (3.33) into Q expression one obtains: 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

28 

 

, , 1,

, ,, ,

,, ,2

2, , ,

,

,

1 1

1

xx T x x

x xxxxxx T x

xxxs sh x s T x

T xxx xx x sxxxxx

xxx s

Q EI EI m N hq FvEI v EI mKGA

EI EI qh k k hEI h KGA

EI F EI m q k hvh KGA h h h KGA

F Fv k hh KGA

ϕ

εα

= Σ −Σ Θ + − =

+⎛ ⎞= Σ − − −Σ Θ + +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎧ Σ− − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ⎛ ⎞− + − + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎡ ⎛ ⎞+ + +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎫⎤⎬⎢ ⎥

⎣ ⎦⎭ 

(3.36)

simplifying the above equation the following expression can be derived : 

, ,2

2

2

, 2

2, ,2 2

2

1 1

1

1

xxxxx xxx

s

sx

ss T x sh x

EI F FQ v v EIKGA KGA

EI F Fh k hEI h KGA

EI EI k hqKGA EI KGA

EI h k EIEI k h mEI EI

EIEI

α

α

α

εα α

α

⎧⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + + −Σ + +⎨⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎩⎫⎡ ⎤⎛ ⎞− + + +⎬⎜ ⎟⎢ ⎥Σ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎭

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ− + + +⎢ ⎥⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎣ ⎦⎛ ⎞ ⎛ ⎞− Σ + Θ + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

,, ,2 2

xxxxx T xxx

EI EI qmKGAα α

∆⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ Θ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (3.37)

and finally one obtains: 

 

 

 

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  29 

 

( )

, ,2 2

, , ,2 2

,, ,2 2 2

1 1xxxxx xxx

sx T x sh x

xxxxx T xxx

EI F F F EIQ v EI vKGA KGA EI

EI EI h k EIq EI mKGA EI EIEI EI EI qmEI KGA

α α

εα α

α α α

⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + − + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎢ ⎥Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦⎡ ⎤ ⎛ ⎞− + − Θ + + +⎜ ⎟⎢ ⎥Σ Σ⎣ ⎦ ⎝ ⎠⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− + Θ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(3.40)

The  interlayer  distributed  shear  force  Qs  throughout  the  interface  is 

obtained from equation (2.25):  

 

, ,2

,, , ,

,,

1

1

1

ss x s T x

xxxxx s s sh x T xxx

xxxxxxxx

EI k hQ q k hEI KGA h

F F m EIv k h kKGA h h h

EI q EI Fvh KGA h KGA

θα

ε

⎧ ⎛ ⎞= − + + +⎨ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎩⎡ ⎤ Σ⎛ ⎞+ + + − + − Θ +⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

⎫Σ ⎛ Σ ⎞⎡ ⎤− − + ⎬⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠⎭  

(3.39)

The rotational displacement can be deduced from the following expression 

which is obtained by inverting equation  (2.15): 

  , xQ vKGA

ϕ = −   (3.40)

and rotational displacement can be finally derived as a function of the other 

known parameters:  

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

30 

 

( )

, ,2

,,2 2

, , ,

2 2

, ,

2

1 1xxxxx xxx

xx

xxx xx T x

sh x s T xxx

EI F EI Fv vKGA KGA KGA KGA

EI F q EI EIvEI KGA KGA KGA EI

q EI m m EI EIKGA KGA KGA KGA EI KGA

EI k h EIKGA EI KGA

ϕα

α α

α α

εα α

⎛ ⎞ ⎛⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + − + +⎜ ⎟ ⎜⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝⎝ ⎠⎞ ⎛ ⎞+ − − + +⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠⎠

⎛ ⎞ Θ⎛ ⎞+ + − − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠Θ

+ +Σ 2

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.41)

In the static field the differential equation of  deflection can be finally stated 

as follows: 

( ) (

) ( )

22

, , ,

2

, , , , ,

2, , ,

1 1

1

1

xxxxxx xxxx xx

x T xx sh xx xx xxx

T xxxx xxxx xx

F F F Fv v vKGA KGA EI EI

q m EI EAh q mEI EI

EI q qKGA

αα

α ε

α

⎛ ⎞⎡ ⎤ ⎡ ⎤+ − + + + =⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎝ ⎠

= − + −Θ + + + +Σ

−Θ Σ − −

  (3.42)

 

3.3   Extended Newmark’s equation in terms of 

curvature  

Deriving an extension of the well‐known Newmark equation in terms 

of  curvature  under  the  more  general  hypotheses  introduced  for 

formulating the present model is the final objective of the present section. 

Since curvature    , xϕ χ=  is, in the static field, described by the expression 

(3.12): 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  31 

 

,,

xxxx

q Fv vKGA

χ +⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.43)

the following equation can be derived:  

, 1xxF qvKGA KGA

χ⎛ ⎞− − = +⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.44)

and finally: 

,

1xx

qKGA qKGAv F KGA F

KGA

χ χ+ += − = −

++  (3.45)

The  final  expression  of  bending moment M  can  be  finally  obtained  by 

introducing equation (3.45) in (3.33): 

( )

( )

( )

( )

, ,

2

2

, ,2 2 2

,2 2

, ,

2

xx xx

xx x

sT sh T xx

xx xx

EI KGA FKGA qMKGA F KGA

EI KGA FKGA q EI FKGA F KGA EI

EI EI EI EIq q mKGA EI KGA EI

EI k h EIEIEI

KGA q EIKGA

χα

χα

α α α

εα α

χα

∆ ∆

+⎛ ⎞+= − +⎜ ⎟+ ⎝ ⎠

+⎛ ⎞++ + +⎜ ⎟+ Σ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− + + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−Θ + +Θ =⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎝ ⎠+

= − +( )

( )( )

( )

,2 2 2

, ,2 2 2

xx

sx T sh T xx

KGA q EIKGA

KGA q EI F EI EI EIq qKGA F EI KGA EI KGA

EI EI k h EIm EIEI EI

χ

χα α α

εα α α

∆ ∆

++

+ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟+ Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− −Θ + +Θ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 

(3.46)

and, consequently, we obtain the following expression: 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

32 

 

( ) ( )

( )

,,2 2

2 2

, ,2 2 2

,2 2

xxxx

xx x

sT sh T xx

EI EI EIM q EI qKGA KGA

KGA EI F q EI FKGA F EI KGA F EI

EI EI EI EIq q mKGA EI KGA EI

EI k h EIEIEI

χ χα α

χα α

α α α

εα α

∆ ∆

= − − + + +

+ + ++ Σ + Σ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− + + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞−Θ + +Θ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (3.47)

Therefore, multiplying (3.47) by  ( )2 KGA F EIα + Σ we obtain:  

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

,,

2 2

, ,2 2 2

2,2 2

xxxx

xx x

sT sh T xx

q EIEI KGA F EI KGA F EIKGAq EIEI KGA F EI KGA F EIKGA

KGA EI F q EI F

EI EI EI EIq q mKGA EI KGA EI

EI k h EIEI KGA F EIEI

χ

χ α α

χ

α α α

ε αα α

∆ ∆

− + Σ − + Σ +

+ + Σ + + Σ +

+ + +

⎧ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪− + + − +⎨ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩⎫⎛ ⎞ ⎪⎛ ⎞−Θ + +Θ + Σ⎬⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎪⎝ ⎠ ⎭

( ) 2M KGA F EI α

=

= + Σ

 (3.48)

and finally one obtains: 

 

 

 

 

 

 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  33 

 

( ) ( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

2,

2,

,2 2

, 2 2

2, 2

xx

xx

xx

sx T sh

T xx

EI KGA F EI KGA EI F

q EI q EI EIKGA F EI KGA FKGA KGA

EI EI EIq EI F q qKGA EI KGA

EI EI k hm EIEI EI

EI KGA F EI M KGA F EI

χ α χ χ

α

α α

εα α

α αα

− + Σ − =

Σ= − + Σ + + +

⎧ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪+ + − + + +⎨ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩⎛ ⎞ ⎛ ⎞

− −Θ + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎫⎛ ⎞+Θ + Σ − + Σ⎬⎜ ⎟

⎝ ⎠⎭

( )

( )

2

2, ,

22

,,2 2 2

2 2,2 2

xx xx

xxx T

ssh T xx

EI F EIq EI EI q q EI EIKGA

q EI EI F qEIq EI F KGA F EIKGA KGA

q EI q EI EIm EIEI KGA EI

EI k h EI M KGA EI M EI FEI

α

α α

α α α

ε α αα α

=

Σ= − Σ − + Σ +

Σ ⎡+ + + + Σ − +⎢⎣

− + − −Θ +Σ Σ

⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ +Θ − Σ − Σ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎦ 

(3.49)

Hence, the following equation in terms of curvature can be finally derived 

for the shear‐flexible composite beams: 

( ) ( )

( )

( )

2,

, ,

2

2, ,

1

1

xx

x T xx

sh

shx T xx T

EI KGA F KGA F

KGA EI q m EIEI

M EA hTEI EI

M EA hF EI m EIEI EI EI

χ α χ χ

εα

εα

∆ ∆

− Σ + − =

⎡= − Σ + −Θ Σ +⎢Σ⎣⎤⎛ ⎞+ +Θ∆ − +⎜ ⎟⎥⎝ ⎠⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞− Σ −Θ Σ + +Θ −⎜ ⎟⎢ ⎥Σ ⎝ ⎠⎣ ⎦

  (3.50)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

34 

 

Such an equation extends the one reported by Faella et al. [25] based on the 

work by Newmark et al. [2]. 

The above equation  turns into the standard one as F=0 : 

( )2, , ,

2

1xx x T xx

shT

q m EIEI

M EA hEI EI

χ α χ

εα

− = − + −Θ Σ +Σ

⎛ ⎞− +Θ −⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.51)

which represents   Newmark equation supposing that the shear stiffness  is 

finite (Timoshenko model).  

Such equation takes into account the presence of the following loads:  

• distributed vertical  load 

• distributed bending moment 

• shrinkage axial deformation   

• thermal induced anelastic strain.  

The effect of  the shear  flexibility  ,  in  the equation  (3.51),  is present  in  the 

definition of the curvature (3.43). 

Finally,  the  equation  (describing  the  curvature  of  the  beam  with  the 

flexural stiffness EI) is obtained  on the condition that the connection has its 

infinite rigidity  ( Lα →∞ ). In concrete slab  shrinkage axial deformation is 

present resulting in  the consequent bending moment: 

shT

M EA hEI EI

εχ ∆⎛ ⎞= +Θ −⎜ ⎟⎝ ⎠

  (3.52)

If   connection   has zero stiffness ( 0Lα → ) the following condition can be 

easily derived and assured: 

 

Chapter III ‐ Outline of the governing equations 

  35 

 

( ), , ,1

xx x T xxq m EIEI

χ ∆= − + −Θ ΣΣ

  (3.53)

Even here we observe that for  Lα →∞   the shrinkage axial deformation is 

also   present  in     curvature equation, while for    0Lα →  such a shrinkage 

axial  deformation  does  not  result    in  curvatures,  but  only  in  relative 

displacements.  

 

   

 

36 

 

 

 

4. Solution in the elastic range 

The  equation  formulated  in  the  previous  sections  will  be  solved 

within the linear range. General boundary and restraint conditions will be 

considered throughout the present chapter. 

4.1   Composite beam under axial force  

Restraint  conditions  need  to  be  formulated  with  reference  to  the 

composite  beam  considering  relative  slip  as  further  displacement 

components along with the usual ones (transverse displacement, rotational 

displacement). A non‐zero axial force F is then considered on the composite 

section. 

 

Figure 4.1. Beam loaded with a normal force. 

 

The  only    reacting  restraint  is  the  horizontal  simple  support  that  is 

restrained in the centroid  of the composite cross section. Imposing the  

equilibrium and  the compatibility we obtain  the stresses  in   concrete slab 

and in  steel beam as noted in the system below: 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  37 

 

1 21 1 2 2

1 21 21 1 2 2 1 1 2 2

1 1 2 2

,N N F

E A E AN F N FN N E A E A E A E AE A E A

+ =⎧⎪ ⇒ = =⎨ + +=⎪⎩

  (4.1)

Consequently, no relative slips occur as an axial  force F  is applied on  the 

composite  section  and  shared  into  the  two  parts  N1  and  N2  related  to 

concrete slab and steel beam respectively. 

4.2   Composite beam in bending 

Before analysing  the bending problem, we  should observe  that    the 

composite beam kinematics is based on  one more parameter in comparison 

with a simple beam.  

The kinematic quantity  us finds its static counterpart in the mutual reaction 

of  the dual  restraint: horizontal mutual pendulum between    the  concrete 

slab and the steel beam. The bending problem is approached in this section. 

The  simultaneous  equations  (3.14)  involve  three  unknowns,  namely 

deflection v(x) , rotational displacement φ(x) and  normal stress N1(x). 

In particular, it results that  N1(x)=‐N2(x) as F=0. 

Consequently  the  “slip  force”  S(x)  can  be  considered  as  a  new  stress, 

perfectly  dual  of  the  slip  between  two  parts  of  the  section.  The  above 

definition  conceptually  simplifies  and  complete  the  correspondence 

between nodal force S and displacement us. 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

38 

 

 

Figure 4.2. Slip force S(x) in interface. 

 

More  precisely,  the  slip  force  in  interface  is  defined  as  S(x)=N1(x)=‐N2(x) 

and  the  possible  boundary  conditions  reported  in  Figure  4.3  can  be 

imposed at the composite end of the beam. 

 

 

       Figure 4.3. The chart of the simple restraints of the flexional problem. 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  39 

 

The slip force can be applied at the free end at the slip  and in this case the 

distribution  of  stresses  is  obtained  by  applying  the  principle  of 

superposition. 

 

           Figure 4.4.  R0 distribution on the cross section . 

 

It  is  observed  that    R0  causes  two  normal  stresses  and  two  bending 

moments. However,  bending moment  is  equal  to  zero  on  the  composite 

section.  In  fact,  the  superposition  effects  principle  can  be  applied  (see 

Figure 4.4). 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

40 

 

 1

2

''

o

o

N RN R

=⎧⎨ = −⎩

  (4.2)

 

1 21 1 2 2

1 21 2

1 1 2 2

'' , ''o

o o

M M R hE I E IM R h M R hM M EI EI

E I E I

+ =⎧⎪ ⇒ = =⎨ Σ Σ=⎪⎩

  (4.3)

Consequently the stresses in the cross section can be obtained as follows:  

1 1 1

2 2 2

1 1 1 11 1 1

2 2 2 22 2 2

' '' 0' '' 0

' '' 0

' '' 0

o o

o o

o o

o o

N N N R RN N N R R

E I E IM M M R h R hEI EIE I E IM M M R h R hEI EI

= + = + == + = − + = −

= + = + =Σ Σ

= + = + =Σ Σ

  (4.4)

The  bending moment is equal to 0 as it has been stated before : 

 1 1 2 2

1 2 1 0o o oE I E IM M M N h R h R h R hEI EI

= + − = + − =Σ Σ

  (4.5)

 

4.2.1 Non‐redundant beams in bending  

In   case of simply supported beams   the bending   moment is always 

known  throughout  equilibrium.  This  bending  moment  results  by  q(x), 

m(x),    as  well  as  by  the  nodal  forces M0  and  F0.    The  shrinkage  axial 

deformation and thermal  curvature as well as the restraint displacements   

do not result in the stresses being the non‐redundant beam.  

Therefore subsists the following equation:  

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  41 

 

  0 0 0( , , , , )( ) 0sh T sv uM x ε ϕ∆Θ =   (4.6)

Consequently, the total bending moment M(x) can be obtained as follows : 

  ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )q x m x Mo FoM x M x M x M x M x= + + +   (4.7)

 and is always known a priori. The equation in terms of bending moments 

can be applied: 

, ,2 2

, , ,2 2 2 2

xxxx xx

sxx x T sh T xx

EI EI EIM v v EI qKGA EI

EI EI EI k h EIq m EIKGA EI EI

α α

εα α α α

∆ ∆

⎛ ⎞= − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

+ − −Θ + +ΘΣ Σ

 

(4.8)

which can be solved against deflection v(x) as follows: 

( ) ( )

2 2, ,

2, , ,

1 1

shxxxx xx T

x T xx xx

M EA hv vEI EI

q m EI q qEI KGA

εα α

α

⎛ ⎞− = +Θ −⎜ ⎟

⎝ ⎠

+ + −Θ Σ + −Σ

  (4.9)

the general integral is: 

1 2 3 4( ) ( ) cosh( ) ( )pv x C senh x C x C x C v xα α= + + + +   (4.10) being  vp(x)  a  peculiar  integral  of  the  complete  equation  which  can  be 

founded    on  condition  that  the  functions M(x)  as well  as    the  static  and 

kinematic loads are known, and : 

C1,  C2,  C3  and  C4      are  the  integration    constants  obtainable  by  four  

boundary conditions.  

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

42 

 

4.2.2 Boundary conditions for non‐redundant beams  

The  integration  constants  can be derived by  imposing  the    relevant 

boundary conditions deriving from the restraints. 

 

4.2.2.1 Vertical  support 

 

Figure 4.5. Vertical support. 

 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end transverse displacement: 

( )o ov x v=   (4.11) The static boundary condition results in a simple condition in terms of end 

slip force: 

,

2

, ,,

2

,

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

( ) 1 ( )

xx oo s sh o s T o

T xx o x oxxxx o

o sxx o s o

EI EI q xS x k x k x hEI h KGAEI EI x m xv xh h h

q x k h v x k h Rh KGA

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

Σ Σ Θ− − +

⎫⎛ ⎞ ⎪+ + + =⎬⎜ ⎟⎪⎝ ⎠ ⎭

 (4.12)

  

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  43 

 

4.2.2.2 Simple rotational restraint 

 

Figure 4.6. Simple rotational restraint. 

 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end rotational displacement: 

( )

, , ,2

, ,

2 2

, , ,

2 2

,

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

(

o xxxxx o xxx o x o

x o xxx o o

xx o T x o sh x o s

T xxx

EI EIx v x v x v xKGA KGA

q x EI EI q x EI m xKGA KGA EI KGA KGA KGA

m x EI x x EI k hEIKGA EI KGA KGA EI

x

ϕα

α α

εα α

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

⎛ ⎞⎛ ⎞− + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠Θ⎛ ⎞− − + +⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠

Θ+ 2

)oo

EIKGA

ϕα

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠

  (4.13)

The static boundary condition results in a simple condition in terms of end 

slip force: 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

44 

 

}

,

2

2, ,

,

,

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) 1

( )

xx oo s sh o s T o

T xx o x o o sxxxx o

xx o s o

EI EI q xS x k x k x hEI h KGA

EI EI x m x q x k hv xh h h h KGA

v x k h R

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ− − + + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠+ =

 

(4.14)

 

4.2.2.3 Mutual horizontal pendulum 

 

Figure 4.7. Mutual horizontal pendulum. 

 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end slip: 

, ,2

,, , ,

,,

1( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

ss o x o s T x o

s

xx oxxx o s s sh x o T xxx o

xxx oxxxxx o so

EI k hu x q x k h xEI k KGA h

m x EIv x k h k x xh h

EI q x EIv x uh KGA h

α

ε

⎡ ⎛ ⎞= − + + Θ +⎜ ⎟⎢Σ ⎝ ⎠⎣Σ

+ − + − Θ +

Σ Σ ⎤− − =⎥⎦

  (4.15)

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  45 

 

4.2.2.4 Free end 

 

Figure 4.8. Free end. 

 

The static  boundary condition results in a simple condition in terms of end 

slip force: 

}

,

2

2, ,

,

,

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) 1

( )

xx oo s sh o s T o

T xx o x o o sxxxx o

xx o s o

EI EI q xS x k x k x hEI h KGA

EI EI x m x q x k hv xh h h h KGA

v x k h R

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ− − + + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠+ =

 

(4.16)

Since  the  beam  in  bending  is  non‐redundant  ,  there  are  always  four  

boundary conditions:  

( )o oS x R=   or   ( )s o sou x u= at ends; 

the  other  two  or  each  of  them  are:  ( )o ov x v= ,or  one  of  them  is 

( )o ov x v= and the other one as:  ( )o oxϕ ϕ= . 

The  possible  boundary  conditions  for  non‐redundant  beams  are 

represented in the following Figures .  

Giuseppe Di Palma    163/000542 

46 

 

 

Figure 4.9.Non‐redundant beams (free slip at both ends). 

 

 

Figure 4.10. Non‐redundant beams (free slip at one end). 

 

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  47 

 

 

Figure 4.11. Non‐redundant beams (restrained slip at both ends). 

 

4.2.3 Redundant beams in bending  

Since    bending  moment  cannot  be  determined  through  simple 

equilibrium  conditions,  equation  (3.27)  should  be  solved  considering 

bending moment as a further unknown:  

( )

( ) ( )

22

, , , , ,

2, , , , ,

1 1

xxxxxx xxxx x T xx sh xx

xx xxx T xxxx xxxx xx

v v q m EI EA hEI

q m EI q qEI KGA

αα ε

α

− = − + −Θ + +

+ + −Θ Σ − −Σ

  (3.27)

The general integral of such an equation results as follows:  3 2

1 2 3 4 5

6

( ) ( ) cosh( )( )p

v x C senh x C x C x C x C xC v x

α α= + + + + ++ +

  (4.17)

where vp(x) is  still a  particular solution of the complete equation, obtained 

from the functions of external loads. 

 Six  constants C1, C2, C3, C4, C5  and C6  are obtained    from    six boundary  

conditions  which are presented in the following paragraph. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

48 

 

4.2.4 Boundary conditions for redundant beams  

4.2.4.1 Vertical support 

 

Figure 4.12. Vertical support. 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end transverse displacement: 

  ( )o ov x v=   (4.18) The static boundary condition results in a simple condition in terms of end 

slip force: 

}

,

2

2, ,

,

,

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) 1

( )

xx oo s sh o s T o

T xx o x o o sxxxx o

xx o s o

EI EI q xS x k x k x hEI h KGA

EI EI x m x q x k hv xh h h h KGA

v x k h R

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ− − + + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠+ =

 

(4.19)

The second static boundary condition results in a simple condition in terms 

of end bending moment: 

 

 

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  49 

 

, ,2 2

, ,2 2

,2 2

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

o xxxx o xx o o

xx o x o T o

ssh o T xx o o

EI EI EIM x v x v x EI q xKGA EI

EI EIq x m x x EIKGA EI

EI k h EIx x MEI

α α

α α

εα α

⎛ ⎞= − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

+ − −Θ +Σ

+ +Θ =Σ

  (4.20)

 

4.2.4.2 Simple rotational restraint 

 

Figure 4.13. Simple rotational restraint. 

 

The static boundary condition results in a simple condition in terms of end 

slip force: 

}

,

2

2, ,

,

,

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) 1

( )

xx oo s sh o s T o

T xx o x o o sxxxx o

xx o s o

EI EI q xS x k x k x hEI h KGA

EI EI x m x q x k hv xh h h h KGA

v x k h R

εα

⎧ Σ= − + Θ − +⎨Σ ⎩

⎛ ⎞Σ Σ Θ− − + + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠+ =

(4.21)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

50 

 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end rotational displacement: 

( )

, , ,2

, ,

2 2

, , ,

2 2

,

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

(

o xxxxx o xxx o x o

x o xxx o o

xx o T x o sh x o s

T xxx

EI EIx v x v x v xKGA KGA

q x EI EI q x EI m xKGA KGA EI KGA KGA KGA

m x EI x x EI k hEIKGA EI KGA KGA EI

x

ϕα

α α

εα α

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

⎛ ⎞⎛ ⎞− + + + +⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠Θ⎛ ⎞− − + +⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠

Θ+ 2

)oo

EIKGA

ϕα

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠

  (4.22)

The second static boundary condition results in a simple condition in terms 

of end shear stress: 

( )

( )

, ,2

, ,2

, , ,2 2 2

,

2

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

o xxxxx o xxx o

x o T x o o

ssh x o xx o T xxx o

xxx oo

EIQ x v x EI v x

EI EI q x EI x m xKGA EIh k EI EI EIx m x xEI EIEI q x F

KGA

α

α

εα α α

α

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎡ ⎤− + − Θ + +⎢ ⎥Σ⎣ ⎦⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + Θ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞+ =⎜ ⎟⎝ ⎠

  (4.23)

 

 

 

 

 

 

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  51 

 

4.2.4.3 Mutual horizontal pendulum 

 

Figure 4.14. Mutual horizontal pendulum. 

The kinematic boundary condition results in a simple condition in terms of 

end slip: 

, ,2

,, , ,

,,

1( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

ss o x o s T x o

s

xx oxxx o s s sh x o T xxx o

xxx oxxxxx o so

EI k hu x q x k h xEI k KGA h

m x EIv x k h k x xh h

EI q x EIv x uh KGA h

α

ε

⎡ ⎛ ⎞= − + + Θ +⎜ ⎟⎢Σ ⎝ ⎠⎣Σ

+ − + − Θ +

Σ Σ ⎤− − =⎥⎦

  (4.24)

The static boundary condition results in a simple condition in terms of end 

bending moment: 

, ,2 2

, ,2 2

,2 2

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

o xxxx o xx o o

xx o x o T o

ssh o T xx o o

EI EI EIM x v x v x EI q xKGA EI

EI EIq x m x x EIKGA EI

EI k h EIx x MEI

α α

α α

εα α

⎛ ⎞= − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

+ − −Θ +Σ

+ +Θ =Σ

  (4.25)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

52 

 

The second static boundary condition results in a simple condition in terms 

of end shear stress: 

( )

( )

, ,2

, ,2

, , ,2 2 2

,

2

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

o xxxxx o xxx o

x o T x o o

ssh x o xx o T xxx o

xxx oo

EIQ x v x EI v x

EI EI q x EI x m xKGA EIh k EI EI EIx m x xEI EIEI q x F

KGA

α

α

εα α α

α

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎡ ⎤− + − Θ + +⎢ ⎥Σ⎣ ⎦⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + Θ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎛ ⎞+ =⎜ ⎟⎝ ⎠

  (4.26)

The beam in bending is redundant and six  boundary conditions are always 

need for solving the problem. 

In each end there are three boundary conditions: 

( )o oS x R=  or   ( )s o sou x u= ; 

( )o ov x v=  or   ( )o oQ x Q= ; 

( )o oxϕ ϕ=  or  ( )o oM x M= . 

Therefore,  so‐called  the  possible  one  time  redundant  schemes  are  the 

subsequent ones: 

 

Figure 4.15. One time redundant beams (free slip at both ends). 

 

 

Chapter IV ‐ Solution in the elastic range 

  53 

 

 

Figure 4.16. One time redundant beams (free slip at one end). 

 

Figure 4.17. One time redundant beams (restrained slip at both ends). 

 

The possible two time redundant schemes are the subsequent ones: 

  

 

Figure 4.18. Two time redundant beam (free slip at both ends). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

54 

 

 

Figure 4.19. Two time redundant beam (free slip at one end). 

 

 

Figure 4.20. Two time redundant beam(restrained slip at both ends). 

 

 

 

 

 

   

 

55 

 

 

 

5. Stiffness matrix  

The  closed‐form  expressions  of  the  stiffness matrix deriving by  the 

shear‐flexible beam model will be derived in the present section. 

5.1   Identification of the problem 

Let us define  nodal displacement vector of the beam as: 

{ }1 1 1 2 2 2, , , , ,Ts sD v u v uϕ ϕ=   (5.1)

and the nodal forces vector  of the beam: 

{ }1 1 1 2 2 2, , , , ,Ts sF V C H V C H=   (5.2)

obtained from the difference of:  

0T T T

EF F F= −   (5.3)

between the vector of the external forces  ,which are   applied on the nodes 

FE,  and  the  reactive  forces  vector    F0    connected with  the  kinematically 

determinated beam (in other words connected with clamped nodes). 

Therefore, it is possible to write  equilibrium equation of the beam as:  

0T TEK D F F= −   (5.4)

Consequently, the 6∙6 stiffness matrix of the beam model has been already 

defined .The i‐th column of this matrix is represented by the group of 6  

nodal forces corresponding to a displacement vector whose i‐th component 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

56 

 

is one and the other zero.  

Displacements and  nodal forces which are both dual with each other, have 

the positive sign  indicated  Figure 5.1 and can be derived as follows. 

 

Figure 5.1. Positive convention for  nodal forces and displacements . 

 

1

2

3

4

5

6

(0) /(0) /

(0) /( ) /( ) /( ) /

i i

i i

i i

i i

i i

i i

K Q DK M DK S DK Q L DK M L DK S L D

= −⎧⎪ = −⎪⎪ =⎨ =⎪⎪ =⎪

= −⎩

  (5.5)

after  having  defined  with  Di  the  displacement  i‐th  component  of  the 

displacement vector D.   

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  57 

 

5.2   Coefficients of the stiffness matrix  

5.2.1 General procedure for deriving the integration constants  

The  term  of  the  stiffness  matrix  can  be  derived  by  solving  the 

differential equation  imposing nodal displacements  in each component as 

the others are forced to zero. 

 

Figure 5.2. Beam in bending under general restraint condition. 

 

The distributed  loads are equal  to zero, because  the only external actions 

are the restraint displacements and the particular  integral vp(x)  is equal to 

zero, so: 3 2

1 2 3 4 5 6( ) ( ) cosh( )v x C senh x C x C x C x C x Cα α= + + + + +   (5.6)

The following derivates of such function, until the derivate of the order 6, 

result as: 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

58 

 

( )( )( )( )( )

2, 1 2 3 4 5

2, 1 2 3 4

3, 1 2 3

4, 1 2

5, 1 2

( ) cos ( ) h( ) 3 2

( ) ( ) cosh( ) 6 2

( ) cos ( ) h( ) 6

( ) ( ) cosh( )

( ) cos ( ) h( )

x

xx

xxx

xxxx

xxxxx

v x C h x C sen x C x C x C

v x C senh x C x C x C

v x C h x C sen x C

v x C senh x C x

v x C h x C sen x

α α α

α α α

α α α

α α α

α α α

= + + + +

= + + +

= + +

= +

= +

  (5.7)

The expressions of  relevant displacements and  stresses  can be derived as 

follows: 

( ), ,2 xxxxx xxxEIQ v EI vα⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

  (5.8)

 

( ), ,2 xxxx xxEIM v EI vα

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

  (5.9)

 

, ,2 2

sxx xxxx

EI k h EIS v vEI hα α

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠  (5.10)

 

, , ,2 xxxxx xxx xEI EIv v v

KGA KGAϕ

α⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − −⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠⎝ ⎠  (5.11)

 

, ,2 2s xxx xxxxxs

EI h EIu v vEI k hα α

⎛ ⎞⎛ ⎞= − + ⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠  (5.12)

The following boundary conditions  in  terms of generalized displacements 

can  be  introduced  for  evaluating  the  constants  involved  in  the  above 

expressions:      

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  59 

 

1

1

1

2

2

2

( 0)( 0)( 0)

( )( )( )

s s

s s

v x vx

u x uv x L vx L

u x L u

ϕ ϕ

ϕ ϕ

= =⎧⎪ = =⎪⎪ = =⎨ = =⎪⎪ = =⎪

= =⎩

  (5.13)

and  the  following  set  of  equations  can  be  obtained  by  introducing  the 

displacement definitions in equations (5.8)÷(5.12): 

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

2 6 1

31 5 1

31 3

12

3 21 2 3 4 5 6 2

3 21 2 3 4

5 2

3 31 2 3

2 22

6

6

6 3 2

6

s

s

C C vEIC C CKGAEI C EI h C uks h EI

C senh L C cosh L C L C L C L C vEIC C cosh L C senh L C L C LKGACEI C EI C EI h Ccosh L C senh L uks h ks h EI

α ϕ

αα

α α

α α α α

ϕ

α αα αα

+ =⎧⎪⎪− − − =⎪⎪Σ⎪ − =

Σ⎪⎪ + + + + + =⎨⎪⎪− − − − − +

− =

Σ Σ+ − =

Σ⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

 

(5.14)

Consequently,  those  constants  can  be  easily  related  to  the  values  of  the 

imposed  nodal  displacements.  The  following  simplification  will  be 

introduced in the definitions of the constant expressions. 

( ) ( ) ( )1 / 2ctgh L tgh Lsenh L

α αα

⎡ ⎤− =⎢ ⎥

⎣ ⎦  (5.15)

For the sake of brevity, all the constants  are expressed as a function of  C3.  

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

60 

 

2

1 1 33 5

6s ss

k h EI k hC u CEI EI EIα α

= +Σ Σ Σ

  (5.16)

 

( )( )

( ) ( )

2 1 23 3

2

35

6 1

s ss s

s

k h ctgh L k hC u uEI EI senh L

EI k h ctgh L CEI EI senh L

αα α α

αα α

= − + +Σ Σ

⎡ ⎤− −⎢ ⎥Σ Σ ⎣ ⎦

  (5.17)

 

( ) ( ) ( ) ( )( )( )

( )

1 2 1 21 2 33 2

3

32

2 2 / 2

2 / 2121 12 1

ss s

v v L tgh Lk hu uL L EI L

CL tgh LEI EI

KGA L EI L

ϕ ϕ α αα

α αα

⎡ ⎤− + −− − + ⎢ ⎥

Σ ⎢ ⎥⎣ ⎦=⎡ ⎤−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎢ ⎥⎣ ⎦

  (5.18)

 

( ) ( )( )

( )( )

( )( )

1 24 12 2

12 32

2

3 34

1 1

1 6

26 2 1

ss

ss

s

v v ctgh Lk hC uL EI L L Lsenh L

ctgh Lk h EIu CEI L L L senh L L KGA L

ctgh LEI k hC L CEI EI L L L senh L

αα α α α

α ϕα α α α

αα α α α

⎡ ⎤−= − + − + + +⎢ ⎥Σ ⎣ ⎦

⎡ ⎤− − + + +⎢ ⎥Σ ⎣ ⎦

⎡ ⎤− + − + +⎢ ⎥Σ Σ ⎣ ⎦ 

(5.19)

 

2

5 1 1 3 32 4

6 6s ss

k h EI k h EIC u C CEI EI EI KGA

ϕα α

= − − − −Σ Σ Σ

  (5.20)

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  61 

 

( )( )

( ) ( )

6 1 2 13 3

2

35

6 1

sss s

s

k hctgh Lk hC v u uEI senh L EI

EI k h ctgh L CEI EI senh L

αα α α

αα α

= − + +Σ Σ

⎡ ⎤+ −⎢ ⎥Σ Σ ⎣ ⎦

  (5.21)

The  nodal  forces  can  be  easily  evaluated  starting  from  equation  (5.6) 

through equations (5.8)‐(5.10) for x equal to 0 and the space length L: 

3(0) 6Q EI C= −   (5.22)

 

3( ) 6Q L EI C= −   (5.23)

 

4(0) 2M EI C= −   (5.24)

 

4 3( ) 2 6M L EI C EI LC= − −   (5.25)

 

2

2 42

2(0) sEI EI k hS C Ch EIα

αΣ

= − +Σ

  (5.26)

 

( ) ( )( )

( )

2

1 2

3 42

( ) cos

6 2s

EIS L C senh L C h Lh

EI k h C L CEI

α α α

α

Σ= − + +

+ +Σ

  (5.27)

Once the six force components have been derived, the stiffness matrix can 

be directly calculated by solving equation (5.14) considering displacement 

vector in which the i‐th component is the only non‐zero one. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

62 

 

5.2.2 Stiffness matrix: the first column 

Considering a nodal displacement vector D=[v1,0,0,0,0,0]  in equation 

(5.14)  the  terms  of  the  first  column  can  be  determined  by  equations 

(5.22)÷(5.27).The constant Ci can be derived by solving  those equations  to 

obtain the following results: 

( )( )

( )

3

1 1

32

12 1

2 / 2121 12 1

EIEIL

C vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α

α αα

⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.28)

 

( )( )

( )( )

3

2 1

32

/ 212 1

2 / 2121 12 1

tgh LEIEI L

C vL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα

α αα

⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.29)

 

( )( )

33 1

32

2

2 / 2121 12 1

LC vL tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.30)

 

( )( )

24 1

32

3

2 / 2121 12 1

LC vL tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.31)

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  63 

 

( )( )

3 2

5 1

32

12 1 1

2 / 2121 12 1

EI EIL KGA EIC v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α

α αα

⎡ ⎤⎛ ⎞+ −⎜ ⎟⎢ ⎥Σ⎝ ⎠⎣ ⎦= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.32)

 

( )( )

( )( )

3

6 1

32

/ 212 1

12 / 2121 12 1

tgh LEIEI L

C vL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα

α αα

⎧ ⎫⎛ ⎞⎪ ⎪−⎜ ⎟Σ⎪ ⎪⎝ ⎠= +⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

  (5.33)

Hence, the following nodal forces can be derived: 

( )( )

( )( )

2

1

32

(0)

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EISh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.34)

 

( )( )

( )( )

2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EIS Lh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.35)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

64 

 

( )( )

21

32

6

(0)2 / 2121 12 1

EILM v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.36)

 

( )( )

21

32

6

( )2 / 2121 12 1

EILM L v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.37)

 

( )( )

31

32

12

(0)2 / 2121 12 1

EILQ v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.38)

 

( )( )

31

32

12

( )2 / 2121 12 1

EILQ L v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.39)

The  particular  case  of  Bernoulli  beams  can  be  derived  by  the  above 

expression in the limit that the ratio 2KGAL

EI→∞ : 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  65 

 

( )( )

( )( )

212

3

2 / 26

lim (0)2 / 2

1 12 1KGALEI

L tgh LLEI EIS v

h L L tgh LEIEI L

α αα

α αα

→∞

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.40)

 

( )( )

( )( )

212

3

2 / 26

lim ( )2 / 2

1 12 1KGALEI

L tgh LLEI EIS L v

h L L tgh LEIEI L

α αα

α αα

→∞

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.41)

 

( )( )

2

21

3

6

lim (0)2 / 2

1 12 1KGALEI

EILM vL tgh LEI

EI Lα α

α→∞

=⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.42)

 

( )( )

2

21

3

6

lim ( )2 / 2

1 12 1KGALEI

EILM L vL tgh LEI

EI Lα α

α→∞

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.43)

 

( )( )

2

31

3

12

lim (0)2 / 2

1 12 1KGALEI

EILQ vL tgh LEI

EI Lα α

α→∞

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.44)

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

66 

 

( )( )

2

31

3

12

lim ( )2 / 2

1 12 1KGALEI

EILQ L vL tgh LEI

EI Lα α

α→∞

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 (5.45)

Furthermore, the case of full shear  interaction (namely, no slip occurrence 

or  rigid  connection)  can  be  derived  from  the  general model  at  hand  by 

forcing  Lα →∞ ;  the  following  relationships  can  be  derived  for  the 

Bernoulli beam:  

212lim lim (0) 6

L KGALEI

EI EIS vh Lα →∞

→∞

−Σ= −  

(5.46)

 

212lim lim ( ) 6

L KGALEI

EI EIS L vh Lα →∞

→∞

−Σ=  

(5.47)

 

212

6lim lim (0)L KGAL

EI

EIM vLα →∞

→∞

=  (5.48)

 

212

6lim lim ( )L KGAL

EI

EIM L vLα →∞

→∞

= −  (5.49)

 

213

12lim lim (0)L KGAL

EI

EIQ vLα →∞

→∞

= −  (5.50)

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  67 

 

213

12lim lim ( )L KGAL

EI

EIQ L vLα →∞

→∞

= −  (5.51)

On  the  contrary,  the  general  model  reproduces  the  case  of  absent 

interaction as  0Lα → : 

20lim lim (0) 0L KGAL

EI

Sα →

→∞

=  (5.52)

 

20lim lim ( ) 0L KGAL

EI

S Lα →

→∞

=  (5.53)

 

2120

6lim lim (0)L KGAL

EI

EIM vLα →

→∞

Σ=  

(5.54)

 

2120

6lim lim ( )L KGAL

EI

EIM L vLα →

→∞

Σ= −  

(5.55)

 

2130

12lim lim (0)L KGAL

EI

EIQ vLα →

→∞

Σ= −  

(5.56)

 

2130

12lim lim ( )L KGAL

EI

EIQ L vLα →

→∞

Σ= −  

(5.57)

Finally, coming back to the general definition of stiffness terms in equation 

(5.5), the terms of the first column of the stiffness matrix are listed below: 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

68 

 

( )( )

11 3

32

12 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.58)

 

( )( )

21 2

32

6 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.59)

 

( )( )

( )( )

31 2

32

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.60)

 

( )( )

41 3

32

12 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.61)

 

( )( )

51 2

32

6 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.62)

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  69 

 

( )( )

( )( )

61 2

32

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.63)

 

5.2.3 Stiffness matrix: the second column 

Considering a nodal displacement vector D=[0,φ1,0,0,0,0]  in equation 

(5.14)  the  terms  of  the  second  column  can  be  determined  by  equations 

(5.22)÷(5.27).The constant Ci can be derived by solving  those equations  to 

obtain the following results: 

( )( )

( )

2

1 1

32

6 1

2 / 2121 12 1

EIEIL

CL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αϕ

α αα

⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.64)

 

( )( )

( )( )

2

2 1

32

/ 26 1

2 / 2121 12 1

tgh LEIEI L

CL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα α

ϕα α

α

⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.65)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

70 

 

( )( )

23 1

32

1

2 / 2121 12 1

LCL tgh LEI EI

KGA L EI L

ϕα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.66)

 

( )( )

4

1

32

12

312 / 2121 12 1

CL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕα α

α

=

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.67)

 

{

( )( )

( )

5

22

1

32

1

6 6 1

2 / 2121 12 1

C

EI EIKGA L EIL

L tgh LEI EIKGA L EI L

αϕ

α αα

= − +

⎫⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪+ −⎢ ⎥⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎪⎢ ⎥⎣ ⎦+ ⎬⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎭

  (5.68)

 

( )( )

( )( )

2

6 1

32

/ 26 1

2 / 2121 12 1

tgh LEIEI L

CL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα α

ϕα α

α

⎛ ⎞−⎜ ⎟Σ⎝ ⎠= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 (5.69)

The consequent nodal stresses result as: 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  71 

 

( )( )

( )( )

1

32

(0)

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EISh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

ϕα α

α

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.70)

 

( )( )

( )( )

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EIS Lh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

ϕα α

α

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.71)

 

( )( )

1

32

(0)

312 / 2121 12 1

EIML

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕα α

α

= −

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.72)

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

72 

 

( )( )

1

32

( )

312 / 2121 12 1

EIM LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕα α

α

= −

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.73)

 

( )( )

2

1

32

6(0)

12 / 2121 12 1

EIQL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕα α

α

=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.74)

 

( )( )

2

1

32

6( )

12 / 2121 12 1

EIQ LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕα α

α

=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.75)

The  particular  case  of  Bernoulli  beams  can  be  derived  by  the  above 

expression in the limit that the ratio 2KGAL

EI→∞ : 

 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  73 

 

( )( )

( )( )

2

1

3

lim (0)

2 / 23

12 / 2

1 12 1

KGALEI

EI EISh L

L tgh LL

L tgh LEIEI L

α αα

ϕα α

α

→∞

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.76)

 

( )( )

( )( )

2

1

3

lim ( )

2 / 23

12 / 2

1 12 1

KGALEI

EI EIS Lh L

L tgh LL

L tgh LEIEI L

α αα

ϕα α

α

→∞

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.77)

 

( )( )

21

3

3lim (0) 12 / 2

1 12 1KGALEI

EIML L tgh LEI

EI L

ϕα α

α→∞

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪

= − +⎨ ⎬⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

 

(5.78)

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

74 

 

( )( )

21

3

3lim ( ) 12 / 2

1 12 1KGALEI

EIM LL L tgh LEI

EI L

ϕα α

α→∞

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪

= − −⎨ ⎬⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

 

(5.79)

 

( )( )

212

3

6 1lim (0)2 / 2

1 12 1KGALEI

EIQL L tgh LEI

EI L

ϕα α

α→∞

=⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 

(5.80)

 

( )( )

212

3

6 1lim ( )2 / 2

1 12 1KGALEI

EIQ LL L tgh LEI

EI L

ϕα α

α→∞

=⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

 

(5.81)

Furthermore, the case of full shear  interaction (namely, no slip occurrence 

or  rigid  connection)  can  be  derived  from  the  general model  at  hand  by 

forcing  Lα →∞ ;  the  following  relationships  can  be  derived  for  the 

Bernoulli beam:  

21lim lim (0) 4

L KGALEI

EI EISh Lα

ϕ→∞

→∞

−Σ=  

(5.82)

 

21lim lim ( ) 2

L KGALEI

EI EIS Lh Lα

ϕ→∞

→∞

−Σ= −  

(5.83)

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  75 

 

21

4lim lim (0)L KGAL

EI

EIMLα

ϕ→∞

→∞

= −  (5.84)

 

21

2lim lim ( )L KGAL

EI

EIM LLα

ϕ→∞

→∞

=  (5.85)

 

212

6lim lim (0)L KGAL

EI

EIQLα

ϕ→∞

→∞

=  (5.86)

 

212

6lim lim ( )L KGAL

EI

EIQ LLα

ϕ→∞

→∞

=  (5.87)

On  the  contrary,  the  general  model  reproduces  the  case  of  absent 

interaction as  0Lα → : 

21lim lim (0)

L KGALEI

EI EISh Lα

ϕ→∞

→∞

−Σ=  

(5.88)

 

21lim lim ( )

L KGALEI

EI EIS Lh Lα

ϕ→∞

→∞

−Σ=  

(5.89)

 

21

3lim lim (0)L KGAL

EI

EI EIMLα

ϕ→∞

→∞

+ Σ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

 (5.90)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

76 

 

21

3lim lim ( )L KGAL

EI

EI EIM LLα

ϕ→∞

→∞

− Σ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

 (5.91)

 

212

6lim lim (0)L KGAL

EI

EIQLα

ϕ→∞

→∞

Σ=  

(5.92)

 

212

6lim lim ( )L KGAL

EI

EIQ LLα

ϕ→∞

→∞

Σ=  

(5.93)

Finally, coming back to the general definition of stiffness terms in equation 

(5.5), the terms of the first column of the stiffness matrix are listed below: 

( )( )

12 2

32

6 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.94)

 

( )( )

22

32

312 / 2121 12 1

EIKL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.95)

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  77 

 

( )( )

( )( )

32

32

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.96)

 

( )( )

42 2

32

6 12 / 2121 12 1

EIKL L tgh LEI EI

KGA L EI Lα α

α

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.97)

 

( )( )

52

32

312 / 2121 12 1

EIKL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪− +⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.98)

 

( )( )

( )( )

62

32

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪− +⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.99)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

78 

 

5.2.4 Stiffness matrix: the third column 

Considering a nodal displacement vector D=[0,0,us1,0,0,0] in equation 

(5.14)  the  terms  of  the  second  column  can  be  determined  by  equations 

(5.22)÷(5.27). The constant Ci can be derived by solving those equations to 

obtain the following results: 

( )( )

( )( )

1 3

3

1

32

2 / 26 1

12 / 2121 12 1

s

s

k hCEI

L tgh LEIEI L

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α

α αα

α αα

⎧ ⎫⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪− ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎪ ⎪⎝ ⎠−⎨ ⎬⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.100)

 

( ){

( )( )

( )

( )( )

2 3

3

1

32

2 / 26 1 / 2

2 / 2121 12 1

s

ks hC ctgh LEI

L tgh LEI tgh LEI L

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα

α αα

α

α αα

= − +Σ

⎫⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎪− ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎪⎝ ⎠+ ⎬⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎭

  (5.101)

 

( )( )

( )( )

3

3 1

32

2 / 2

2 / 2121 12 1

s

L tgh Lks hEI L

C uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.102)

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  79 

 

( ) ( )

( )( )

( )( )

4

1

- 22

- 2 / 2 1818 -1 3 2

- 2 / 2121 12 -12 3

s

tgh aL aL tgh aLks hCaL aLEI a L

aL tgh aLEI EISEI KGA LaL

uaL tgh aLEI EI

SEIKGA L aL

⎧ ⎛ ⎞= +⎨ ⎜ ⎟

⎩ ⎝ ⎠Σ

⎫⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎪⎜ ⎟ +⎜ ⎟ ⎪⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎪⎝ ⎠⎬

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎪⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟+ + ⎪⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎪⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎭

i

i

  (5.103)

 

( )( )

( )( )

( )

5 2

2 2

1

32

2 / 26 61

12 / 2121 12 1

s

s

k hCEI

L tgh LEI EIEI KGA L LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α

α ααα

α αα

⎧ ⎫⎛ ⎞⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪− +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎪ ⎪⎝ ⎠⎝ ⎠− +⎨ ⎬⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i

 

(5.104)

 

( ){

( )( )

( )

( )( )

6 3

3

1

32

2 / 26 1 / 2

2 / 2121 12 1

s

s

k hC ctgh LEI

L tgh LEI tgh LEI L

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

αα

α αα

α

α αα

= +Σ

⎫⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎪− ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎪⎝ ⎠− ⎬⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎭

  (5.105)

The consequent nodal stresses result as: 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

80 

 

( )( )

( )( )

( )

( )( )

12

2 2

3

32

2

(0)

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

12 1

sEI EIS uh L

L tgh LL EI EItgh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L senh LEI EIEI EI L

α ααα α

α αα

α αα

•−Σ

=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

( )( )

( )

( )

32

2

2

13

2 / 2121 12 1

12 1

2 /121 12 1

senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI tgh L

L tgh LEI EIKGA L EI

α

α αα

αα

α α

⎛ ⎞+⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )( )3

2 EIEILα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.106)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  81 

 

( )( )

( )( )

( )

( )

12

2 2

3

32

( )

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

cos12 1

sEI EIS L uh L

L tgh LL EI EIsenh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L L senEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α α

•−Σ

=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

( )( ) ( )

( )( )

( )

2

32

2

2

16

2 / 2121 12 1

12 1

121 12 1

h LL senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI senh L

LEI EIKGA L EI

αα α

α αα

αα

α

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )( )3

2 / 2tgh L EIEIL

αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

     (5.107) 

 

( )( )

( )( )

1

32

(0)

2 / 23

12 / 2121 12 1

s

EI EIMh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.108)

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

82 

 

( )( )

( )( )

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

s

EI EIM Lh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.109)

 

( )( )

( )( )

2

1

32

(0)

2 / 26

2 / 2121 12 1

s

EI EIQh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.110)

 

( )( )

( )( )

2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

s

EI EIQ Lh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.111)

The  particular  case  of  Bernoulli  beams  can  be  derived  by  the  above 

expression in the limit that the ratio 2KGAL

EI→∞ : 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  83 

 

( )( )

( )( )

( )

( )( ) ( )

2 2

2 2

3

3

2

lim (0)

2 / 212 1

2 / 21 12 1

12 1

KGALEI

EI EISh L

L tgh LL EI EItgh L EI EIL

L tgh LEI EIEI EIL

L senh LEI EIEI EI L senh L

α ααα α

α αα

α αα α

→∞

−Σ=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎪ ⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞− +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( )( )

1

3

13

2 / 21 12 1

suL tgh LEI EI

EI EILα α

α

⎫⎛ ⎞⎪⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎪⎪⎝ ⎠⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞− ⎪Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭  

(5.112)

 

( )( )

( )( )

( )

( ) ( )( )

2 2

2 2

3

3

2

lim ( )

2 / 212 1

2 / 21 12 1

cos12 1

KGALEI

EI EIS Lh L

L tgh LL EI EIsenh L EI EIL

L tgh LEI EIEI EIL

L L senh LEI EIEI EI L s

α ααα α

α αα

α α αα

→∞

−Σ=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎪ ⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( )( )

( )

1

3

16

2 / 21 12 1

senh L

uL tgh LEI EI

EI EIL

α

α αα

⎫⎛ ⎞⎪−⎜ ⎟⎜ ⎟⎪⎪⎝ ⎠⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞− ⎪Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭  

(5.113)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

84 

 

( )( )

( )( )

2

1

3

lim (0)

2 / 23

12 / 2

1 12 1

KGALEI

s

EI EIMh L

L tgh LL

uL tgh LEI

EI L

α αα

α αα

→∞

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i

  (5.114)

 

( )( )

( )( )

2

1

3

lim ( )

2 / 23

12 / 2

1 12 1

KGALEI

s

EI EIM Lh L

L tgh LL

uL tgh LEI

EI L

α αα

α αα

→∞

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎪ ⎪⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i

  (5.115)

 

( )( )

( )( )

212

3

2 / 26

lim (0)2 / 2

1 12 1

sKGALEI

L tgh LLEI EIQ u

h L L tgh LEIEI L

α αα

α αα

→∞

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ 

(5.116)

 

( )( )

( )( )

212

3

2 / 26

lim ( )2 / 2

1 12 1

sKGALEI

L tgh LLEI EIQ L u

h L L tgh LEIEI L

α αα

α αα

→∞

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞+ − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ 

(5.117)

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  85 

 

The  above  general  expressions  basically  reduce  to  the  ones  derived  by 

Faella, Martinelli and Nigro (2002) within the framework of the Newmark 

theory as 2KGAL

EI→∞ . 

Furthermore, the case of full shear  interaction (namely, no slip occurrence 

or rigid connection) can be derived from the general model at hand by  

forcing  Lα →∞ ;  the  following  relationships  can  be  derived  for  the 

Bernoulli beam: 

2lim lim (0)L KGAL

EI

Sα →∞

→∞

= +∞  (5.118)

 

( )2

2

12lim lim ( ) 2 sL KGAL

EI

EI EIS L u

EI h Lα →∞→∞

−Σ= −   (5.119)

 

( )2

1lim lim (0) 4 sL KGAL

EI

EI EIM u

h Lα →∞→∞

−Σ= −  

(5.120)

 

( )2

1lim lim ( ) 2 sL KGAL

EI

EI EIM L u

h Lα →∞→∞

−Σ=  

(5.121)

 

( )2

12lim lim (0) 6 sL KGAL

EI

EI EIQ u

h Lα →∞→∞

−Σ=  

(5.122)

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

86 

 

( )2

12lim lim ( ) 6 sL KGAL

EI

EI EIQ L u

h Lα →∞→∞

−Σ=  

(5.123)

On  the  contrary,  the  general  model  reproduces  the  case  of  absent 

interaction as  0Lα → : 

2120

lim lim (0) sL KGAL

EI

EI EIS uh Lα →

→∞

−Σ=  

(5.124)

 

2120

lim lim ( ) sL KGAL

EI

EI EIS L uh Lα →

→∞

−Σ=  

(5.125)

 

21

0lim lim (0) sL KGAL

EI

EI EIM uh Lα →

→∞

−Σ= −  

(5.126)

 

21

0lim lim ( ) sL KGAL

EI

EI EIM L uh Lα →

→∞

−Σ= −  

(5.127)

 

20lim lim (0) 0L KGAL

EI

Qα →

→∞

=  (5.128)

 

20lim lim ( ) 0L KGAL

EI

Q Lα →

→∞

=  (5.129)

Finally, coming back to the general definition of stiffness terms in equation 

(5.5), the terms of the first column of the stiffness matrix are listed below: 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  87 

 

( )( )

( )( )

13 2

32

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.130)

 

( )( )

( )( )

23

32

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.131)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

88 

 

( )( )

( )( )

( )

( )( )

33 2

2 2

3

32

2

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

12 1

EI EIKh L

L tgh LL EI EItgh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L senh LEI EIEI EI L senh

α ααα α

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( )( )

( )

( )( )

( )

32

2

32

13

2 / 2121 12 1

12 1

2 / 2121 12 1

L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI tgh L

L tgh LEI EIKGA L EI L

α

α αα

αα

α αα

⎛ ⎞+⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

EIEI

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.132)

 

( )( )

( )( )

43 2

32

2 / 26

2 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.133)

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  89 

 

( )( )

( )( )

53

32

2 / 23

12 / 2121 12 1

EI EIKh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.134)

 

( )( )

( )( )

( )

( ) ( )

63 2

2 2

3

32

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

cos12 1

EI EIKh L

L tgh LL EI EIsenh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L L senh LEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α α α

−Σ= −

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( ) ( )( )

( )

( )

2

32

2

2

16

2 / 2121 12 1

12 1

2121 12 1

L senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI senh L

L tgEI EIKGA L EI

α α

α αα

αα

α

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )( )3

/ 2h L EIEIL

αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.135)

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

90 

 

5.2.5 Completing the stiffness matrix   

The three remaining columns of the stiffness matrix could  be derived 

through the same procedure followed for the first three ones.  However, for 

the sake of brevity, an alternative procedure has been put  in place  in  this 

work, looking after both geometric and structural symmetry. 

K14=K41, K15=K51, K16=K61, K24=K42, K25=K52, K26=K62, K34=K43, K35=K53, K36=K63 . 

The diagonal elements at  the  last  three positions, being    the direct effects, 

have necessarily  the positive  sign  (the  stiffness matrix  serves  in  order  to 

define  the  elastic  potential  energy  of  the  system  which  is  a  quadratic 

definite  positive  form).  The  diagonal  elements  also  have  the  expressions 

which coincide with the expressions of the elements in the diagonal in the 

first three positions:  

K44=K11, K55=K22, K66=K33 .  

Finally we have: 

K54= ‐K21, K64= ‐K31, K65= K32  

• after observing that both bending moment and  slip force at the end 

2, which  are      caused by  the  lowering  in  the  extreme  1, have  the   

sign opposite to the bending moment and  opposite to the slip force 

at  the end 1    (on   condition  that  the bending moment and  the slip 

force  are nodal forces);                                                                                                             

• and  after  noticing  that  the  slip  force  in  the  extreme  2, which  is 

caused  by  the  rotation  of  the  extreme  2  ,is  of  the  same  sign  as 

regards the slip force in the extreme 1 (on condition that the slip  

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  91 

 

force  at  the  extreme  2  is  the  nodal  force).  All  this  is  caused  by  the 

symmetry of the structural system. 

For the symmetry of the stiffness matrix we have: 

K45=K54, K46=K64, K56=K65 . 

5.3   Vector of the external nodal force and vector 

nodal forces equivalent to distributed action 

The  nodal  actions  equivalent  to  the  actions  distributed  throughout 

the beam axis will be evaluated in the present paragraph. 

5.3.1 Vector of the external  nodal forces  

The vector FE of the equivalent external  nodal forces   is in this  case 

equal to the null vector , since the beam results restrained at  both  its nodes 

with respect to all the degrees of freedom. Consequently, no stress results 

in the beam by applying external nodal forces:  

{ }1 1 1 2 2 2, , , , , 0TE E E Es E E EsF V C H V C H= =   (5.136)

 

5.3.2 Vector nodal forces equivalent to distributed actions.   

As far as the vector of  forces equivalent to the distributed actions  F0 

it  can  be  derived  following  a  procedure  substantially  similar  to  those 

considered for evaluating  the  terms of  the stiffness matrix. Obviously,  the 

terms of the vector depend on the shape and nature of the loads applied  

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

92 

 

throughout the beam axis.  In this case all the distributed constant loads are 

assumed (Figure 5.3): sh sh T Tq(x)= q, m(x)= m, (x)= , (x)=ε ε ∆ ∆Θ Θ . 

However, the imposed displacements are:  s01 02 01 02 01 02u , us , v , v , , ϕ ϕ . 

 

Figure 5.3. Beam loaded with external actions. 

 

Let us  now deal with  the  vector  of  nodal  forces    by  calculating  the  two 

contributions due to the both imposed nodal displacements and distributed 

loads. However, the forces are being transformed into the nodal actions of 

the perfect clamp according to the following information (Figure 5.1):  

01

01

01

02

02

02

(0)(0)

(0)( )( )

( )

V QC MHs SV Q LC M LHs S L

= −⎧⎪ = −⎪⎪ =⎨ =⎪⎪ =⎪

= −⎩

  (5.137)

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  93 

 

5.3.2.1 Nodal forces due to imposed nodal displacements 

The nodal forces due to imposed nodal displacements are     formally 

similar  to  the  terms  of  the  stiffness matrix.  In  fact,  if we  substitute  the 

constraining    normalized  displacements  s1 2 1 2 1 2u , us , v , v , , ϕ ϕ with  the 

external  loads  s01 02 01 02 01 02u , us , v , v , , ϕ ϕ ,  the expressions  can be  rewritten 

as following:  

• nodal forces caused by  v01 

( )( )

( )( )

01 1 2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

s o

o

EI EIH vh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.138)

 

( )( )

01 1

21

32

( )6

2 / 2121 12 1

o

o

C vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.139)

 

( )( )

01 1

31

32

( )12

2 / 2121 12 1

o

o

V vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.140)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

94 

 

( )( )

( )( )

02 1 2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

s o

o

EI EIH vh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.141)

 

( )( )

02 1

21

32

( )6

2 / 2121 12 1

o

o

C vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.142)

 

( )( )

02 1

31

32

( )12

2 / 2121 12 1

o

o

V vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.143)

• nodal forces caused by v02 

( )( )

( )( )

01 2 2

2

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

s o

o

EI EIH vh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.144)

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  95 

 

( )( )

01 2

22

32

( )6

2 / 2121 12 1

o

o

C vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.145)

 

( )( )

01 2

32

32

( )12

2 / 2121 12 1

o

o

V vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

= −⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.146)

 

( )( )

( )( )

02 2 2

2

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

s o

o

EI EIH vh L

L tgh LL

vL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.147)

 

( )( )

02 2

22

32

( )6

2 / 2121 12 1

o

o

C vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.148)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

96 

 

( )( )

02 2

32

32

( )12

2 / 2121 12 1

o

o

V vEIL v

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

=

=⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.149)

• nodal forces caused by φ01 

( )( )

( )( )

01 1

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

s o

o

EI EIHh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

α αα

ϕα α

α

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.150)

 

( )( )

01 1

1

32

( )

312 / 2121 12 1

o

o

EICL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

=

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.151)

 

( )( )

01 1 2

1

32

6( )

12 / 2121 12 1

o

o

EIVL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.152)

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  97 

 

( )( )

( )( )

02 1

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

s o

o

EI EIHh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

α αα

ϕα α

α

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.153)

 

( )( )

02 1

1

32

( )

312 / 2121 12 1

o

o

EICL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

= −

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.154)

 

( )( )

02 1 2

1

32

6( )

12 / 2121 12 1

o

o

EIVL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.155)

 

 

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

98 

 

• nodal forces caused by φ02 

( )( )

( )( )

01 2

2

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

s o

o

EI EIHh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

α αα

ϕα α

α

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.156)

 

( )( )

01 2

2

32

( )

312 / 2121 12 1

o

o

EICL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

= −

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.157)

 

( )( )

01 2 2

2

32

6( )

12 / 2121 12 1

o

o

EIVL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.158)

 

 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  99 

 

( )( )

( )( )

02 2

2

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

s o

o

EI EIHh L

L tgh LL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

α αα

ϕα α

α

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.159)

 

( )( )

02 2

2

32

( )

312 / 2121 12 1

o

o

EICL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

=

⎧ ⎫⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.160)

 

( )( )

02 2 2

2

32

6( )

12 / 2121 12 1

o

o

EIVL

L tgh LEI EIKGA L EI L

ϕ

ϕα α

α

=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i   (5.161)

 

 

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

100 

 

• nodal forces caused by us01 

( )( )

( )( )

( )

01 1 12

2 2

3

32

( )

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

12 1

s so soEI EIH u uh L

L tgh LL EI EItgh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L seEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α

−Σ=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( )( ) ( )

( )( )

( )

2

32

2

2

13

2 / 2121 12 1

12 1

121 12 1

nh LL senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI tgh L

LEI EIKGA L EI

αα α

α αα

αα

α

⎛ ⎞+⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )( )3

2 / 2tgh L EIEIL

αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.162)

 

( )( )

( )( )

01 1

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

so

so

EI EIC uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.163)

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  101 

 

( )( )

( )( )

01 1 2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

so

so

EI EIV uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.164)

 

( )( )

( )( )

( )

02 1 12

2 2

3

32

( )

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

c12 1

s so soEI EIH u uh L

L tgh LL EI EIsenh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

LEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α

−Σ= −

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( ) ( )( ) ( )

( )( )

( )

2

32

2

2

os 16

2 / 2121 12 1

12 1

121 12 1

L senh LL senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI senh L

EI EIKGA L EI

α αα α

α αα

αα

⎛ ⎞−−⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

⎛ ⎞ ⎛+ + −⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠

( )( )3

2 / 2L tgh L EIEIL

α αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞− ⎪Σ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.165)

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

102 

 

( )( )

( )( )

02 1

1

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

so

so

EI EIC uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.166)

 

( )( )

( )( )

02 1 2

1

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

so

so

EI EIV uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.167)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  103 

 

• nodal forces caused by  us02 

( )( )

( )( )

( )

01 2 22

2 2

3

32

( )

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

c12 1

s so soEI EIH u uh L

L tgh LL EI EIsenh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

LEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α

−Σ= −

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( ) ( )( ) ( )

( )( )

( )

2

32

2

2

os 16

2 / 2121 12 1

12 1

121 12 1

L senh LL senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI senh L

EI EIKGA L EI

α αα α

α αα

αα

⎛ ⎞−−⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

⎛ ⎞ ⎛+ + −⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠

( )( )3

2 / 2L tgh L EIEIL

α αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞− ⎪Σ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.168)

 

( )( )

( )( )

01 2

2

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

so

so

EI EIC uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪−⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.169)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

104 

 

( )( )

( )( )

01 2 2

2

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

so

so

EI EIV uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ= −

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.170)

 

( )( )

( )( )

( )

02 2 22

2 2

3

32

( )

2 / 212 1

2 / 2121 12 1

12 1

s so soEI EIH u uh L

L tgh LL EI EItgh L EI EIL

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

L seEI EIEI EI

α ααα α

α αα

α

−Σ=

⎧ ⎛ ⎞−Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎪ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪ ⎝ ⎠ +⎨⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎪⎣ ⎦⎩

−Σ Σ⎛ ⎞⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

+

i

i

( )( ) ( )

( )( )

( )

2

32

2

2

13

2 / 2121 12 1

12 1

121 12 1

nh LL senh L

L tgh LEI EI EIKGA L EI EIL

EI EI EI EI LEI KGA L EI EI tgh L

LEI EIKGA L EI

αα α

α αα

αα

α

⎛ ⎞+⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ +⎡ ⎤⎛ ⎞−⎛ ⎞ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

⎡ ⎤⎛ ⎞Σ Σ Σ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎣ ⎦+

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + −⎜ ⎟⎜ ⎟ Σ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )( )3

2 / 2tgh L EIEIL

αα

⎫⎪⎪⎪⎬

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎪Σ⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎪⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎪⎣ ⎦ ⎭ 

(5.171)

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  105 

 

( )( )

( )( )

02 2

2

32

( )

2 / 23

12 / 2121 12 1

so

so

EI EIC uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎧ ⎫−⎪ ⎪⎪ ⎪+⎨ ⎬

⎛ ⎞−⎛ ⎞⎪ ⎪⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎪⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎩ ⎭

i

i  (5.172)

 

( )( )

( )( )

02 2 2

2

32

( )

2 / 26

2 / 2121 12 1

so

so

EI EIV uh L

L tgh LL

uL tgh LEI EI

KGA L EI L

α αα

α αα

−Σ=

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

i

i  (5.173)

After  obtaining  these  expressions,  the  contribution  of  nodal  imposed 

displacements to the vector of equivalent nodal forces can be easily derived 

01 1, 2, 1, 2, 1, 2 01 1 01 2 01 1

01 2 01 1 01 2

01 1, 2, 1, 2, 1, 2 01 1 01 2 01 1

01 2 01 1 01 2

01 1, 2, 1, 2, 1,

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

(

o o o o so so o o o

o so so

o o o o so so o o o

o so so

s o o o o so

V v v u u V v V v VV V u V uC v v u u C v C v CC C u C uH v v u

ϕ ϕ ϕϕ

ϕ ϕ ϕϕ

ϕ ϕ

= + + ++ + +

= + + ++ + +

2 01 1 01 2 01 1

01 2 01 1 01 2

02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02 1 02 2 02 1

02 2 02 1 02 2

02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02 1 02

) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) (

so s o s o s o

s o s so s so

o o o o so so o o o

o so so

o o o o so so o

u H v H v HH H u H u

V v v u u V v V v VV V u V uC v v u u C v C v

ϕϕ

ϕ ϕ ϕϕ

ϕ ϕ

= + + ++ + +

= + + ++ + +

= + 2 02 1

02 2 02 1 02 2

02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02 1 02 2 02 1

02 2 02 1 02 2

) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

o o

o so so

s o o o o so so s o s o s o

s o s so s so

CC C u C uH v v u u H v H v HH H u H u

ϕϕ

ϕ ϕ ϕϕ

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪

+ +⎪⎪+ + +⎪

= + + +⎪⎪+ + +⎩

(5.174)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

106 

  

5.3.2.2 Nodal forces due to distributed loads 

As far as the actions caused by both  static  and  kinematic distributed 

loads,  the  differential  equation  of  the  deflection  (3.27)  can  be written  as 

follows: 

2 2, ,xxxxxx xxxx

qv vEI

α α− = −   (5.175)

The general integral in such  equation results as : 

( ) ( ) 3 21 2 3 4 5 6

4

( ) cosh

24

v x C senh x C x C x C x C x C

q xEI

α α= + + + + + +

+

 

(5.176)

The other displacement components can be derived by equations (3.39) and 

(3.41): 

( ) ( )( ) ( )3 31 2

6( ) cosh

1

ss s

s

C EI EIEIu x C x C senh xk h k h

q x EIk h EI

α α α−ΣΣ

= + − +

Σ⎛ ⎞− −⎜ ⎟⎝ ⎠

 

(5.177)

 

( ) ( ) 21 2 3 4 5

33

( ) cosh 3 2

66

x C x C senh x C x C x C

q x q x m EI CEI KGA KGA KGA

ϕ α α α α= − − − − − +

− − + −  (5.178)

After  obtaining  these  expressions,  the  equivalent  nodal  forces  can  be 

derived by solving the following system of simultaneous equations: 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  107 

 

( 0) 0( 0) 0( 0) 0

( ) 0( ) 0( ) 0

s

s

v xx

u xv x Lx L

u x L

ϕ

ϕ

= =⎧⎪ = =⎪⎪ = =⎨ = =⎪⎪ = =⎪

= =⎩

  (5.179)

whose explicit shape can be written as follows: 

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

2 6

31 5

3 31

3 21 2 3 4 5 6

4

3 21 2 3 4

3

5

3 31

2

06 0

60

0246 3 2

06

6

C CEIC mC CKGA KGA

EI EI CEI Cks h ks h

C senh L C cosh L C L C L C L C

q LEIEIC C cosh L C senh L C L C LKGA

q L q L mCEI KGA KGA

EI C EIcosh L C senh Lks h ks h

α

α

α α

α α α α

α αα α

+ =

− − − + =

−ΣΣ− =

+ + + + + +

+ =

− − − − − +

− − − + =

Σ Σ+ +

−( ) 3

1 0EI EI C q L EIks h ks h EI

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

−Σ⎪ Σ⎛ ⎞− − =⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩

 

(5.180)

The relevant expressions of  the constants Ci can be evaluated  introducing 

the following definition: 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

108 

 

( ) ( )( )

( )12 - 2 / 2

3 212

B EI EI KGA L tgh L

L EI EI KGA L

α α

α

= Σ − +

+ Σ +  (5.181)

the constants result expressed as follows: 

( )11 24- - 32

q mC EI EI LBEI EIα

⎧ ⎫= Σ +⎨ ⎬

Σ⎩ ⎭  (5.182)

 

( )( )

( )2

24 / 21 - 32 / 2

mtgh LqC EI EI LBEI EI tgh L

α

α α

⎧ ⎫⎪ ⎪= Σ −⎨ ⎬Σ⎪ ⎪⎩ ⎭

 

(5.183)

 

( )3

32 cosh / 2

12EI L m Lq LC

EI Bα αΣ

= − +   (5.184)

 

( )2 3 2

4 2

1 12 12 7224

EI EIL EI L mC qEI KGA EI EI B

αα

⎧ ⎫−Σ⎛ ⎞ Σ⎪ ⎪= − − −⎨ ⎬⎜ ⎟Σ⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭  (5.185)

 

( )

( )

5 2

2

22 2

242

EI EI qL m qLCEI EI KGA

L EI EI EI EI KGA mKGA B

α

α α

−Σ += + +

Σ

⎡ ⎤Σ + −Σ⎣ ⎦−

  (5.186)

 

( )( )

61 24

32 / 2

q mC EI EI LBEI EI tgh Lα α

⎧ ⎫⎪ ⎪= −Σ − +⎨ ⎬Σ⎪ ⎪⎩ ⎭

  (5.187)

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  109 

 

In  this  case  generalized  force  expressions  result  from  equations  (3.33), 

(3.35), (3.38): 2

3 42 2( ) 6 22

T sh

q q x EI EIM x C x EI C EI qKGA EI

EI EIEIh

α α

ε∆

⎛ ⎞= − − − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠−Σ

−Θ +

 

(5.188)

 

3( ) 6Q x C EI q x m= − − +   (5.189)  

( ) ( )( )

( ) ( )( )

2

22

1 2 3 4

41 2

1( )

cosh 6 22

cosh

ss T s sh

s

EI k hS x q k h k hEI KGA h

q xk h C sen x C x C x CEI

EI qC sen x C xh EI

εα

α α α

α α α

∆⎧ ⎛ ⎞= + + Θ − +⎨ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎩

⎡ ⎤+ + + + + +⎢ ⎥

⎣ ⎦Σ ⎫⎡ ⎤− + + ⎬⎢ ⎥⎣ ⎦⎭

  (5.190)

As a consequence, the  expressions of  stress on the beam ends are obtained 

as follows: 

42 2(0) 2

T sh

q EI EIM C EI qKGA EI

EI EIEIh

α α

ε∆

⎛ ⎞= − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠−Σ

−Θ +  (5.191)

 2

3 42 2( ) 6 22

T sh

q q L EI EIM L C L EI C EI qKGA EI

EI EIEIh

α α

ε∆

⎛ ⎞= − − − − + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠−Σ

−Θ +(5.192)

Giuseppe Di Palma    163/000542 

110 

 

 

3(0) 6 0Q C EI m= − +   (5.193)  

3( ) 6Q L C EI q L m= − − +   (5.194)  

2

2 42 4 2

1(0)

2

ss T s sh

s

EI k hS q k h k hEI KGA h

EI qk h C C Ch EI

εα

α α

∆⎧ ⎛ ⎞= + + Θ − +⎨ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎩

Σ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤+ + − + ⎬⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎭

  (5.195)

 

( ) ( )( )

( ) ( )( )

2

22

1 2 3 4

41 2

1( )

cosh 6 22

cosh

ss T s sh

s

EI k hS L q k h k hEI KGA h

q Lk h C sen L C L C L CEI

EI qC sen L C Lh EI

εα

α α α

α α α

∆⎧ ⎛ ⎞= + + Θ − +⎨ ⎜ ⎟Σ ⎝ ⎠⎩

+ + + + + +

Σ ⎫⎡ ⎤− + + + ⎬⎢ ⎥⎣ ⎦⎭

  (5.196)

Replacing  the  value  of  the  constants  evaluated  in  (5.180)  by    the  former 

expressions, we obtain the equivalent nodal forces : 

 

 

 

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  111 

 

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( )( )

2

2

32

(0)

2 / 21 1 6

12 / 2

2 / 26

2 / 2121 12 1

sh TS EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

L tgh Lm EI EIKGA L h L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α α

α α

α αα

α αα

∆= − +Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞+ − − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠⎡ ⎤−

−Σ ⎢ ⎥⎣ ⎦−

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.197)

 

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( )( )

2

2

32

( )

2 / 21 1 6

12 / 2

2 / 26

2 / 2121 12 1

sh TS L EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

L tgh Lm EI EIKGA L h L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α α

α α

α αα

α αα

∆= − +Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞+ − − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠⎡ ⎤−

−Σ ⎢ ⎥⎣ ⎦+

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.198)

 

( )

( )( )

2

32

(0)12

6

2 / 2121 12 1

shT

EI EI q LM EIh

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α αα

∆−Σ

= −Θ − +

+⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.199)

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

112 

 

( )

( )( )

2

32

( )12

6

2 / 2121 12 1

shT

EI EI q LM L EIh

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α αα

∆−Σ

= −Θ − +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.200)

 

( )( )

2

32

(0)2

12

2 / 2121 12 1

q LQ m

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

= + +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.201)

 

( )( )

2

32

( )2

12

2 / 2121 12 1

q LQ L m

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

α αα

= − + +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.202)

It  is  worth  noticing  that  shear  connection  stiffness  (namely,  the  αL 

parameter) only affects the  terms corresponding  to  the  interface force S(0) 

and  S(L). Moreover,  shear  stiffness  only  affects  the  contribution  of  the 

distributed  bending  moment  m(x)  in  all  the  above  terms.  The  general 

expressions  derived  for  the  terms  of  the  vector  of  nodal  forces  can  be 

specialized  to  the  case  of  the  Newmark model  (namely,  to  the  case  of 

Bernoulli‐behaving beams) by solving the following limits: 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  113 

 

( ) ( )( ) ( )

2

2

2

lim (0)

2 / 21 1 6

12 / 2

sh TKGA LEI

S EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

ε

α α

α α

→∞

= − +Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞+ − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

  (5.203)

 

( ) ( )( ) ( )

2

2

2

lim ( )

2 / 21 1 6

12 / 2

sh TKGA LEI

S L EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

ε

α α

α α

→∞

= − +Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞+ − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

  (5.204)

 

( )2

2

lim (0)12

shT

KGA LEI

EI EI q LM EIh

ε∆

→∞

−Σ= −Θ −  

(5.205)

 

( )2

2

lim ( )12

shT

KGA LEI

EI EI q LM L EIh

ε∆

→∞

−Σ= −Θ −  

(5.206)

 

2lim (0)

2KGA LEI

q LQ m→∞

= +  (5.207)

 

2lim ( )

2KGA LEI

q LQ L m→∞

= − +  (5.208)

in which  the  shear  stress  and  the  bending moment  at  the  nodes  do  not 

depend on the connection rigidity. Therefore,  such results remain identical 

also for the connection of infinite rigidity as well as for the case of absent  

Giuseppe Di Palma    163/000542 

114 

 

interaction.  On  the  contrary,  interface  forces  depend  on  both  shear 

interaction parameter αL and shear stiffness. 

2

2

lim lim (0) 112

sh TL KGA L

EI

q L EIS EA h EAh EIα

ε ∆→∞

→∞

Σ⎛ ⎞= − +Θ + −⎜ ⎟⎝ ⎠

 (5.209)

 

2

2

lim lim ( ) 112

sh TL KGA L

EI

q L EIS L EA h EAh EIα

ε ∆→∞

→∞

Σ⎛ ⎞= − +Θ + −⎜ ⎟⎝ ⎠

 (5.210)

 

20lim lim (0) sh TL KGA L

EI

S EA h EAα

ε ∆→

→∞

= − +Θ  (5.211)

 

20lim lim ( ) sh TL KGA L

EI

S L EA h EAα

ε ∆→

→∞

= − +Θ  (5.212)

 The components of the vector of nodal forces can be evaluated by equation 

(5.137) as follows:  

( )( )

01

2

32

( , , , )2

12

2 / 2121 12 1

sh Tq LV q m m

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α αα

∆Θ = − − +

+⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.213)

 

 

 

 

Chapter V ‐ Stiffness matrix 

  115 

 

( )

( )( )

2

01

32

( , , , )12

6

2 / 2121 12 1

shsh T T

EI EI q LC q m EIh

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

εε

α αα

∆ ∆−Σ

Θ = − +Θ + +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.214)

 

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( )( )

01

2

2

32

( , , , )

2 / 21 1 6

12 / 2

2 / 26

2 / 2121 12 1

s sh T sh TH q m EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

L tgh Lm EI EIKGA L h L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε ε

α α

α α

α αα

α αα

∆ ∆Θ = − +Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞+ − − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠⎡ ⎤−

−Σ ⎢ ⎥⎣ ⎦−

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.215)

 

( )( )

02

2

32

( , , , )2

12

2 / 2121 12 1

sh Tq LV q m m

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε

α αα

∆Θ = − + +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.216)

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

116 

 

( )

( )( )

2

02

32

( , , , )12

6

2 / 2121 12 1

shsh T T

EI EI q LC q m EIh

EI mKGA L

L tgh LEI EIKGA L EI L

εε

α αα

∆ ∆−Σ

Θ = −Θ − +

−⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

  (5.217)

 

( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

( )( )

02

2

2

32

( , , , )

2 / 21 1 6

12 / 2

2 / 26

2 / 2121 12 1

s sh T sh TH q m EA h EA

L tgh Lq L EIh EI L tgh L

L tgh Lm EI EIKGA L h L

L tgh LEI EIKGA L EI L

ε ε

α α

α α

α αα

α αα

∆ ∆Θ = −Θ +

⎛ ⎞−Σ⎛ ⎞− − − +⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠⎡ ⎤−

−Σ ⎢ ⎥⎣ ⎦−

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ + − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟Σ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

 

(5.218)

Finally,  the  vector  of  nodal  forces  can  be  obtained  by  summing  the  two 

contributions due to imposed nodal displacements and distributed actions. 

01 01 1, 2, 1, 2, 1, 2 01

01 01 1, 2, 1, 2, 1, 2 01

01 01 1, 2, 1, 2, 1, 2 01

02 02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02

( ) ( , , , )( ) ( , , , )

( ) ( , , , )( ) ( , ,

o o o o so so sh T

o o o o so so sh T

s s o o o o so so s sh T

o o o o so so

V V v v u u V q mC C v v u u C q mH H v v u u H q mV V v v u u V q m

ϕ ϕ εϕ ϕ εϕ ϕ εϕ ϕ ε

= + Θ= + Θ= + Θ= +

02 02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02

02 02 1, 2, 1, 2, 1, 2 02

, )( ) ( , , , )

( ) ( , , , )

sh T

o o o o so so sh T

s s o o o o so so s sh T

C C v v u u C q mH H v v u u H q m

ϕ ϕ εϕ ϕ ε

⎧⎪⎪⎪⎨ Θ⎪⎪ = + Θ⎪

= + Θ⎩

  (5.219)

 

 

 

   

 

117 

 

 

 

6. Applications 

The differential equation in terms of transverse deflections v(x) can be 

utilized  in  the  present  section  to  present  a  possible  application  of  the 

presented models  to  the  case  of  simply  supported  beam  and  continuous 

beam in partial interaction. 

6.1   Simply‐supported composite beam 

 

Figure 6.1.Simply supported composite beam. 

 

The first application deals with the beam in Figure 6.1. The functions 

expressing displacements and forces are represented as follows :      

, , ,2( ) xxxxx xxx xEI EIx v v v

KGA KGAϕ

α= − −   (6.1)

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

118 

 

, ,2 2( )s xxx xxxxxs

EI h EIu x v vEI k hα α

⎛ ⎞= − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.2)

 

, ,2 xxxxx xxxEIQ v EIvα

= −   (6.3)

 

, ,2 2xxxx xxEI EI EIM v EIv q

KGA EIα α⎛ ⎞

= − − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.4)

 

2

, ,2 1 ss xx xxxx

EI EI q k hS k hv vEI h h KGAα

⎧ ⎫⎛ ⎞Σ⎪ ⎪= − + +⎨ ⎬⎜ ⎟Σ ⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭   (6.5)

The  only  relevant  functions  in  this  case  are  v(x)  and  S(x);  the  boundary 

conditions are as follows: 

( 0) 0( 0) 0( ) 0( ) 0

v xS xv x LS x L

= =⎧⎪ = =⎪⎨ = =⎪⎪ = =⎩

  (6.6)

These conditions result in a unique solution for the differential equation of 

the deflection given by  (6.4): 

22 2

, ,1

xxxx xxMv v qEI EI KGA

αα α⎛ ⎞

− = + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.7)

which  is  a  particular  case  of  the  Newmark  equation  (3.51)  in  terms  of 

deflection v(x) through the (3.43). 

The general integral for that equation: 

Capitolo VI ‐ Applications 

  119 

 

( ) ( )1 2 3 4( ) cosh ( )pv x C senh x C x C x C v xα α= + + + +   (6.8)

where vp(x) is a particular solution of the complete equation, related to the 

moment  equation M(x).  This  one  can  be  obtained  from  the  vertical  and 

rotational equilibrium conditions: 

2( )2 2qL qM x x x= −   (6.9)

Consequently,  the  differential  equation  in  terms  of  deflection  can  be 

written as follows: 

2 2 2 22

, ,1

2 2xxxx xx

x Lv v q xEI EI EI KGA

α α αα⎛ ⎞

− = − + + +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.10)

Based on the expression (6.9) of bending moments the solution of such an 

equation can be assumed as follows: 2 2 4 3 2( ) ( )pv x x A x B x C A x B x C x= + + = + +   (6.11)

that is, substituting  in differential equation: 

( ) 24 3 2

2( )24 12 2

pEI EIq q L qv x x x x

EI EI EI EI KGAα

α−Σ⎡ ⎤

= − − +⎢ ⎥Σ⎣ ⎦  (6.12)

hence the integral can be written: 

( ) ( )

( )

41 2 3 4

23 2

2

( ) cosh24

12 2

qv x C senh x C x C x C xEI

EI EIq L qx xEI EI EI KGA

α α

αα

= + + + + +

−Σ⎡ ⎤− − +⎢ ⎥Σ⎣ ⎦

  (6.13)

and the relevant derivatives can be finally evaluated: 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

120 

 

( ) ( )

( )

22 2

, 1 2

2

2

cos2 2

xxq x q L xv C senh x C h xEI EI

EI EIqEI EI KGA

α α α α

αα

= + + − +

−Σ⎡ ⎤− +⎢ ⎥Σ⎣ ⎦

  (6.14)

 

( ) ( )4 4, 1 2cosxxxx

qv C senh x C h xEI

α α α α= + +   (6.15)

 

6.1.1 Solutions in terms of displacements 

Considering the above expressions of v(x) and the relevant boundary 

conditions  the  following  simultaneous equations  can be written  to define 

the constants Ci : 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  121 

 

( )

( ) ( )

( )

( )

2 4

22

22 2

24

2

4

1 2 3 4

2 2

2

2 21 22

0

1 0

cosh24

02

cos

s

s

s

C C

EI EIEI qk h CEI EI EI KGA

q EI q k hCEI h h KGA

q LC senh L C L C L CEI

EI EIq LEI EI KGA

EI k h C senh L C hEI

ααα α

α

α α

αα

α α αα

+ =

⎧ ⎛ ⎞−Σ⎡ ⎤⎪ − + +⎜ ⎟⎨ ⎢ ⎥⎜ ⎟Σ Σ⎣ ⎦⎪ ⎝ ⎠⎩⎫⎛ ⎞Σ ⎪⎛ ⎞− + + + =⎬⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎪⎝ ⎠⎭

+ + + − +

−Σ⎡ ⎤− + =⎢ ⎥Σ⎣ ⎦

( )({( )

( ) ( )

2

2

4 41 2

2

cos

1 0s

L

EI EIqEI EI KGA

q EIC senh L C h LEI h

q k hh KGA

α

αα

α α α α

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪

+⎪⎪⎪ ⎞−Σ⎡ ⎤⎪− + +⎟⎢ ⎥ ⎟⎪ Σ⎣ ⎦ ⎠⎪

Σ⎪ ⎛ ⎞− + + +⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎪⎪ ⎫⎛ ⎞⎪+ + =⎪ ⎬⎜ ⎟

⎪⎝ ⎠⎪ ⎭⎩

 

(6.16)

which can be evaluated as follows: 

( ) ( )1 4 / 2EI EI

C q tgh LEI EI

αα

−Σ= −

Σ  (6.17)

 

  ( )2 4

qC EI EIEI EIα

= −ΣΣ

  (6.18)

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

122 

 

( ) ( )2 2

3 2

12 12

24

qL EI EI KGA EI EI KGALC

EI EI KGA

α

α

⎡ ⎤−Σ + Σ +⎣ ⎦=Σ

  (6.19)

 

( )4 4

qC EI EIEI EIα

= − −ΣΣ

  (6.20)

Finally, the deflection v(x) can be written as follows: 

( ){( )( ) ( )

( )( ) ( ) ( ) ( ) }

44

2 2

2 2 2

( ) 1224

2 24 *

* 12

24 cosh / 2

qv x EI EI L x xEI EI KGA

KGA L x x EI KGA L x x

L Lx x

EI EI KGA x senh x tgh L

αα

α α

α

α α α

⎡= Σ − +⎣Σ

⎤ ⎡+ − + − + Σ + −⎣⎦⎤⎡ ⎤− + + − +⎣ ⎦⎦

+ −Σ −⎡ ⎤⎣ ⎦

  (6.21)

It is easy to check that the above general expression basically reduces to the 

Newmark’s one (based on Bernoulli theory for which 2KGAL

EI→∞ )and to 

the Bernoulli equation as  Lα →∞ : 

3

1 2 4 30 ,24q LC C C CEI

= = = =   (6.22)

The analytical expression of the midspan deflection is provided as follows: 

( )( ){ [

( ) ( ) ( ) ( )

4

24 2

2 4

( / 2) *384

* 48 8 * 384

148 5 384cosh / 2

qv LEI EI KGA

EI KGA L EI L KGA EI KGA

L L EI EI KGAL

α

α α

α αα

− + Σ + +Σ +

⎫⎪⎤− + + −Σ ⎬⎦ ⎪⎭

 (6.23)

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  123 

 

Obviously, due  to  the  symmetry of  the beam,  the deflection value  is  the 

maximum  throughout  the beam axis. Once again,  to check what has been 

shown, in the Timoshenko case we obtain:    

4 2

4 2

5( / 2)384 8

5( / 2) 0384 8

q L q Lv L se LEI KGAq L q Lv L se LEI KGA

α

α

= + →∞

= + →Σ

  (6.24)

while in the Bernoulli’s one: 

4

4

5( / 2)384

5( / 2) 0384

q Lv L se LEIq Lv L se LEI

α

α

= →∞

= →Σ

  (6.25)

The  above  limit  values  will  be  considered  as  reference  to  compare  the 

general results obtained by equation (6.23). 

6.1.2 Comparisons between Timoshenko and Bernoulli model 

In order to evaluate the influence of the shear effects (other than the 

rigidity of  the  connection  ) of deflection,  case‐study  in  table 6.1 has been 

assumed denoting with 1 the properties of concrete and 2 those of steel. 

 

 

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

124 

 

E1  30000  N/mm2 E2  210000  N/mm2 ν  0,2  ‐ ν  0,2  ‐ G1  12500  N/mm2 G2  87500  N/mm2 A1  150000  mm2 

A2   (IPE 600)  15600  mm2 I1  281250000  mm4 

I2     (IPE 600)  920800000  mm4 h  375  mm L  1000  mm ΣEI  2,01806E+14  N*mm2 EA  7776000000  N EI  1,29531E+15  N*mm2 K1  0,833  ‐ K2  0,464  ‐ KGA  2196000000  N q  50  N/mm 

Table 6.1. Geometric and mechanical properties. 

 

 The  shear  factor  of  the  slab has  been  assumed  equal  to  5/6  (rectangular 

cross‐section) and the shear factor of steel beam web has been taken as the 

web‐to‐total area ratio. The values of the stiffness ks related to seven values 

of αL to be assumed for the analysis, as reported in Table 6.2.  

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  125 

 

αL  0  α  0  mm‐1 ks  0  N/mm2 αL  1    α  0,0001  mm‐1 ks  8  N/mm2 αL  10    α  0,001  mm‐1 ks  817  N/mm2 αL  20    α  0,002  mm‐1 ks  3267  N/mm2 αL  30    α  0,003  mm‐1 ks  7351  N/mm2 αL  50    α  0,005  mm‐1 ks  20420  N/mm2 αL  70    α  0,007  mm‐1 ks  40023  N/mm2 

Table 6.2. Connection rigidity ks. 

 

The seven values of  αL, the deflection plots with a finite KGA (equal to the 

one  of  the  beam  under  consideration)  and  infinite KGA  are  reported  in 

order to compare their influence on the shear deformability and on the  

total deflection and to understand the values of the deflection varying the 

connection stiffness. 

The first diagram in Figure 6.2, shows the various deflection which can be 

qualitatively compared: 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

126 

 

• infinite KGA   (2KGAL

EI→∞ ), 

• finite KGA   (2KGAL

EI∈ ), 

the  latest  ones, with  equal    αL  factor,  are  a  bit  bigger  as  the  beams  are 

affected by the slip. 

The Bernoulli deflections are represented by the continuous line, while the 

Timoshenko’s one by the discontinuous one (Figure 6.2). 

In  the Figures   6.3÷6.9  the deflections are compared  for various values of 

the  αL parameter ranging from 0 to 70. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  127 

 Figure 6.2. Deflection of the beam in the cases examinated. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

128 

 Figure 6.3. (αL)=0. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  129 

 Figure 6.4. (αL)=1. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

130 

 Figure 6.5. (αL)=10. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  131 

 Figure 6.6. (αL)=20. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

132 

 Figure 6.7. (αL)=30. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  133 

 Figure 6.8. (αL)=50. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

134 

 Figure 6.9. (αL)=70. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  135 

 

Table  6.3  collects  the  values  of  the  maximum  deflection  at  midspan 

reported  for each of  the values of αL evaluated  for both  shear‐flexible or 

infinitely stiff section. 

v max  v max  Δv/v mm  mm  % 

KGA finito  KGA infinito        

aL=0  aL=0   32,5  32,2  0,87           

aL=1  aL=1   30,0  29,7  0,95           

aL=10  aL=10   7,71  7,4  3,69           

aL=20  aL=20   5,9  5,6  4,78           

aL=30  aL=30   5,5  5,3  5,08           

aL=50  aL=50   5,4  5,1  5,26           

aL=70  aL=70   5,3  5,0  5,31 

Table 6.3. Values of the maximum deflection. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

136 

 

It  can be  seen  considering  that  the    Δv/v    ratio between  the Timoshenko 

and Bernoulli deflection is as large as shear connection is stiff.  

6.1.3 Solution by matrix method  

An alternative approach for solving simply‐supported beams can be 

followed by using the stiffness matrix formulated in the present work. The 

beam can be subdivided in “elements” and the deflection can be developed 

through  interpolation  with  a  larger  precision  increasing  the  number  of 

finite elements (ten elements have been considered herein). 

The  following  cases have  the  same  connection  rigidity ks of  the previous 

ones. Deflection derived for the cases of Timoshenko and Bernoulli beams 

are represented in Figure 6.10÷6.23 for different values of  αL. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  137 

 

 

 Figure 6.10. (αL)=0 (Timoshenko). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

138 

 

 

 Figure 6.11. (αL)=1 (Timoshenko). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  139 

 

 

              Figure 6.12. (αL)=10 (Timoshenko). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

140 

 

 

 Figure 6.13. (αL)=20 (Timoshenko). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  141 

 

 

 Figure 6.14. (αL)=30 (Timoshenko). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

142 

 

 

 Figure 6.15. (αL)=50 (Timoshenko). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  143 

 

 

 Figure 6.16. (αL)=70 (Timoshenko). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

144 

 

 

 Figure 6.17. (αL)=0 (Bernoulli). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  145 

 

 

 Figure 6.18. (αL)=1 (Bernoulli). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

146 

 

 

 Figure 6.19. (αL)=10 (Bernoulli). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  147 

 

 

 Figure 6.20. (αL)=20 (Bernoulli). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

148 

 

 

 Figure 6.21. (αL)=30 (Bernoulli). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  149 

 

 

 Figure 6.22. (αL)=50 (Bernoulli). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

150 

 

 

 Figure 6.23. (αL)=70 (Bernoulli). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  151 

 

It can be seen that there is a good convergence among the results obtained 

by an analytical approach and those derived by the  matrix one. 

6.2   Continuous composite beam 

 

Figure 6.24. Continuous composite beam with two equal spans. 

 

The case‐study considered  in  the  following  is  represented  in Figure 

6.24. Symmetry will be considered  in  the analyses of  the beam which will 

be obtained by both analytical and matrix approach. 

6.2.1 Analytical solution   

The differential equation (5.175) has to be solved with respect to the 

constants  C1÷C6  by  using  the  displacement  function  and  the  relevant 

boundary conditions. General integral of equation (5.176) is: 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

152 

 

( ) ( ) 3 21 2 3 4 5 6

4

( ) cosh

24

v x C senh x C x C x C x C x C

q xEI

α α= + + + + + +

+

 

(5.176)

and boundary conditions: 

( 0) 0( 0) 0( 0) 0

( ) 0( ) 0( ) 0s

v xS xM xv x Lx L

u x Lϕ

= =⎧⎪ = =⎪⎪ = =⎨ = =⎪⎪ = =⎪

= =⎩

  (6.26)

or: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  153 

 

( ) ( )

( )

( )

( ) ( )

( )

2 6

2 42 4 2 2

2

4 22 2 42

2

3 21 2 3 4 5 6

4

31

0

2

0

2

0

0246

C C

EI EI q EIC C Ch EI h

EI EIEIqEI h h KGA

EI qC EI C CEI

EI EIqKGA EI

C senh L C cosh L C L C L C L C

q LEIEIC C cosh L CKGA

α αα

α

α αα

α

α α

α α α

+ =

−Σ⎧ ⎛ ⎞+ − + +⎨ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎩⎫−Σ⎛ ⎞⎪+ + =⎬⎜ ⎟Σ ⎪⎝ ⎠⎭

⎛ ⎞+ − + +⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞− + =⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

+ + + + + +

+ =

− − − ( )

( ) ( )

( )

22 3 4

3

5

3 31

2

3

3 2

06

61 0

senh L C L C L

q L q LCEI KGA

EI C EIcosh L C senh Lks h ks hEI EI C q L EIks h ks h EI

α

α αα α

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪ − − +⎪⎪⎪− − − =⎪⎪Σ Σ

+ +⎪⎪⎪ −Σ Σ⎛ ⎞⎪− − − =⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩

 

(6.27)

The  unknown  constants  can  be  determined  by  solving  the  above 

simultaneous  equations  and  the  definition  of  the  parameter  P  can  be 

introduced: 

{( ) ( )( ) }

2 2

( ) *

* 3 3 cosh( )

3 ( )

P L EI

EI EI KGA EI EI KGA L L

EI EI EI KGA senh L

α

α α

α

=

⎡ ⎤−Σ + Σ + +⎣ ⎦− −Σ

  (6.28)

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

154 

 

( )( ) ( )( )( ) ( )

( ) ( )( )

1 4

2 2

4

2 2

1 *8

* 24

12 *

5 24 cosh( )

8( ) 3 3 ( )

q EICP EI

EI EI KGA

L EI EI EI EI KGA

L EI KGA EI EI KGA L

L EI EI KGA EI EI KGA L senh L

α

α α

α α

α α α

⎛ ⎞= −⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

− −Σ +⎡⎣

+ Σ + −Σ +

+ Σ + −Σ +

⎤− −Σ + Σ + ⎦ 

(6.29)

 

  2 4 1q EICEI EIα

⎛ ⎞= −⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.30)

 

( ) ( )(( )( ) ( ) )

( ) ( )

23

42

* 8 4 *16

* cosh( )

8 1 ( ) ( )

qC EI EI KGA LP

EI EI EI EI KGA L EI KGA L

EI EI KGA L senh L

αα

α α α

α α

⎡= − −Σ +⎣

Σ + −Σ + Σ +

+ −Σ + ⎤⎦ 

(6.31)

 

4 2

1 1 12 2

EIC qKGA EI EIα

⎡ ⎤⎛ ⎞= − + −⎜ ⎟⎢ ⎥Σ⎝ ⎠⎣ ⎦  (6.32)

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  155 

 

( ) ( ){( ) ( )( )( )

( ) ( )( )

( )

5 3

2 2 2

2 2 2

2 2 4 2

2 2 2 4

2

2

*48

* 144 72 *

* 2 6( ) *

24 5 ( ) *

* 72 30 cosh( )

24 6 3 *

* 2

2( ) 3

qCEI KGA P

EI EI KGA EI EI EI KGA

EI KGAL L EI EI EI KGA

EI KGA L L EI

EI EI KGA L KGA L L

EI EI KGA EI EI KGA EI

EI KGAL

L EI EI KGA

α

α

α α

α α

α

α

α

⎡ −Σ + −Σ⎣

Σ + + −Σ Σ

+ + Σ

⎤+ + +⎦⎡− −Σ −Σ + Σ⎣

+ +

+ −Σ ( )( ) }2 23 ( )EI EI KGAL senh Lα α ⎤+ Σ + ⎦ 

(6.33)

 

6 4 1q EICEI EIα

⎛ ⎞= − −⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.34)

Once  more,  the  general  model  reduces  to  the  Newmark’s  one  as 

2KGALEI

→∞  and a  further  reduction  to  the  case of  complete  interaction 

can be obtained as  Lα →∞   : 

3

1 2 4 6 3 50 , ,16 48q L q LC C C C C CEI EI

= = = = = − =   (6.35)

whose solution is in good agreement with the one in terms of deflection for 

a monolithic beam with EI stiffness and infinite shear stiffness.  

By introduction the constants in  equation (5.176) the deflection is obtained: 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

156 

 

( ) ( )({( ) ( )(

( ) (( )( ) ( ))

( ) ( )(( )))

4

2 2 4

2 2 6 2 2

2 2 2 2

2

2 2

( ) *48

* 48 cosh( ) cosh( ) *

* 144 6 *

* 24 5 72

2 6 5

24 6 3

2 2

qv xEI KGA P

EI EI x L L x

EI EI KGA EI EI EI KGA L x

EI KGA L L x x EI L x EI

KGA L L x L x EI KGA L L x x

EI EI KGA EI EI KGA L x

EI KGA L L x x

α

α α α

α

α

α

⎡−Σ + −⎣

− −Σ + −Σ Σ

⎡ ⎤+ + − + Σ +⎣ ⎦

+ − + + + − +

− −Σ Σ − +

+Σ + − + ( )

) ( ) ( )((( )) (

( ) ( )( ))

( ) ( )( )(( )

2 2

2 2 2

2 2 2

4 4

2 4 3 3 4

4

144 *

* ( ) 6 4 6

* 6 3 24*

* 12

5 * ( ) ( )*

* 24 12 2 8 4

12 2

EI EI KGA

senh x EI EI KGA x EI EI KGA

EI EI KGA L KGA x

EI EI KGA EI EI EI EI KGA L

EI KGA L senh x senh L

EI KGA x L x L x Lx x

EI EI x L x K

α α

α

α α

α α α

α α

α

−Σ

+ −Σ − −Σ +

+ Σ − − + + −

−Σ + Σ + −Σ +

+ Σ +

−Σ + − + + − + +

+ Σ − + + ( )( )( )( ) ( )( ) )) }

2

2 2

2 2

8 3 3 ( )

GA x L x

L EI EI KGA EI EI KGA L senh x

α

α α α

+ − + +

⎤− −Σ + Σ + ⎥⎦ 

(6.36)

The  analytical  expression  of  deflection  in  the  midspan  (that  is  not  the 

maximum in the considered scheme) is as follows: 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  157 

 

( )

( )(

( )

( )

4

2 2 6 2 2 2

6 2 4 6 2 2 6

24 2

2 2

( / 2) *48

* 48 cosh( / 2) cosh( ) *2

* 144 36

63 14 2

213 244

324 62

11

qv LEI KGA P

LEI EI L L

EI EI KGA EI EI L

EI EI KGA L EI KGA L

KGA LEI EI EI KGA L EI

EI EI KGA EI EI EI KGA L

α

αα α

α

α α

α

α

⎧ ⎡ ⎛−Σ +⎨ ⎜⎢ ⎝⎣⎩

− −Σ + Σ +

+ Σ + Σ +

⎛ ⎞+ −Σ Σ + +⎜ ⎟

⎝ ⎠⎛− −Σ Σ − +⎜⎝

+ ( ) )

( ) ( ( )

( ) ( ) ( )(

( )( ) )( )(

( ) ( ) ( )

22 2

3

3

2 2 2 4 4

4 2

2 4

144 ( / 2)4

6 12 12 *

11* 242

12 5 *

* ( / 2) 24 9

57916

EI KGA L EI EI KGA senh L

EI EI KGA EI EI L L KGA

EI EI EI KGA L EI EI KGA

EI EI EI EI KGA L EI KGA L

senh L KGA EI EI EI EI L

L KGA EI EI L

α

α α

α

α α α

α α

α α

⎞⎞Σ + −Σ +⎟⎟⎠⎠

+ −Σ − Σ −

−Σ − Σ + − −Σ +

+ Σ + −Σ + Σ

+ −Σ − Σ +

− −Σ −

( )(

( )) ) ) }2 2

8 3

3 ( / 2) ( )

EI KGA

L EI EI KGA

EI EI KGA L senh L senh L

α

α α α

Σ +

− −Σ +

⎤+ Σ + ⎥⎦

 

(6.37)

 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

158 

 

6.2.2 Comparison between  Timoshenko and Bernoulli model 

In order to evaluate the influence of the shear effects (other than the 

rigidity of the connection ) on the deflection, the characteristics of the beam 

in Table 6.4 have been assumed (denoting with 1 the characteristics of the 

concrete and 2 of the steel). 

 

E1  30000  N/mm2 E2  210000  N/mm2 ν  0,2  ‐ ν  0,2  ‐ G1  12500  N/mm2 G2  87500  N/mm2 A1  150000  mm2 

A2   (IPE 600)  15600  mm2 I1  281250000  mm4 

I2     (IPE 600)  920800000  mm4 h  375  mm L  1000  mm ΣEI  2,01806E+14  N*mm2 EA  7776000000  N EI  1,29531E+15  N*mm2 K1  0,833  ‐ K2  0,464  ‐ KGA  2196000000  N q  50  N/mm 

Table 6.4. Geometric and mechanical properties. 

 

The  shear  factor  of  the  slab  is  assumed  equal  to  5/6  (rectangular  cross 

section) and equal to the area of the web to the total area of the section ratio 

(T‐shape section) for the steel beam. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  159 

 

E1  30000  N/mm2 E2  210000  N/mm2 ν  0,2  ‐ ν  0,2  ‐ G1  12500  N/mm2 G2  87500  N/mm2 A1  150000  mm2 

A2   (IPE 600)  15600  mm2 I1  281250000  mm4 

I2     (IPE 600)  920800000  mm4 h  375  mm L  1000  mm ΣEI  2,01806E+14  N*mm2 EA  7776000000  N EI  1,29531E+15  N*mm2 K1  0,833  ‐ K2  0,464  ‐ KGA  2196000000  N q  50  N/mm 

Table 6.5. Connection stiffness assumed in the case‐study. 

 

In order to evaluate the  influence of the shear flexibility on deflection, the 

values of  the deflections are  reported against parameter  αL    for both  the 

cases of finite KGA  and for infinite KGA. 

The  first diagram  in Figure 6.25  shows deflections values  throughout  the 

beam axis. 

Table 6.5  reports  the values of both stiffness ks and  interaction parameter 

αL adopted in the following analysis. 

Continuous  line  refers  to  the  case  of  infinite  shear  stiffness,  while  the 

discontinuous one is related to the case of finite value of KGA (Figure 6.25). 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

160 

 

In  the  following  Figure  6.26÷6.32,    the  deflections  obtained  for  different 

cases of αL  ranging from 0 to 70 are reported comparing the case of finite 

and  infinite  shear  stiffness.  Only  the  solution  of  one  span  has  been 

represented for the sake of symmetry. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  161 

 

 

 Figure 6.25. Deflection of the beam in the cases examinated. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

162 

 

 

 

Figure 6.26. (αL)=0. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  163 

 

 

 Figure 6.27. (αL)=1. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

164 

 

 

 Figure 6.28. (αL)=10. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  165 

 

 

 Figure 6.29. (αL)=20. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

166 

 

 

 Figure 6.30. (αL)=30. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  167 

 

 

 Figure 6.31. (αL)=50. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

168 

 

 

 Figure 6.32. (αL)=70. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  169 

 

Table 6.6 reports the maximum deflection values and the relative difference 

derived  by  assuming  either  finite  or  infinite  shear  stiffness  of  the  cross 

beam. 

v max  v max  Δv/v cm  cm  % 

KGA finito  KGA infinito        

aL=0  aL=0   13,7  13,4  2,37           

aL=1  aL=1   13,2  12,9  2,45           

aL=10  aL=10   4,5  4,2  7,08           

aL=20  aL=20   3,1  2,7  10,55           

aL=30  aL=30   2,7  2,4  11,93           

aL=50  aL=50   2,5  2,2  12,85           

aL=70  aL=70   2,5  2,1  13,32 

Table 6.6. Values of maximum deflection. 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

170 

 

It can be seen that when the connection stiffness increases the difference of 

the deflections between the Bernoulli and Timoshenko model increases. 

 

6.2.3 Solution by matrix method  

An alternative approach for solving continuous beam can be followed 

by using the stiffness matrix formulated in the present work. The beam can 

be  subdivided  in  elements  and  the  deflection  can  be  developed  through 

interpolation  with  a  larger  precision  increasing  the  number  of  finite 

elements (ten elements have been considered herein for every span). 

The  following  cases have  the  same  connection  rigidity ks of  the previous 

ones. Deflection derived for the cases of Timoshenko and Bernoulli beams 

are represented in Figure 6.33÷6.46 for different values of  αL. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  171 

 

 

 Figure 6.33. (αL)=0 (Timoshenko). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

172 

 

 

 Figure 6.34. (αL)=1 (Timoshenko). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  173 

 

 

 Figure 6.35. (αL)=10 (Timoshenko). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

174 

 

 

 Figure 6.36. (αL)=20 (Timoshenko). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  175 

 

 

 Figure 6.37. (αL)=30 (Timoshenko). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

176 

 

 

 Figure 6.38. (αL)=50 (Timoshenko). 

 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  177 

 

 

 Figure 6.39. (αL)=70 (Timoshenko). 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

178 

 

 

 Figure 6.40. (αL)=0 (Bernoulli). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  179 

 

 

 Figure 6.41. (αL)=1 (Bernoulli). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

180 

 

 

 Figure 6.42. (αL)=10 (Bernoulli). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  181 

 

 

 Figure 6.43. (αL)=20 (Bernoulli). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

182 

 

 

 Figure 6.44. (αL)=30 (Bernoulli). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  183 

 

 

 Figure 6.45. (αL)=50 (Bernoulli). 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

184 

 

 

 Figure 6.46. (αL)=70 (Bernoulli). 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  185 

 

6.2.4 Solutions in terms of forces 

Equations  (6.29)÷(6.34)  relating  the  integration  constants  Ci  to  the 

nodal force and displacements can be now utilized for post‐processing the 

solution obtained in terms of nodal displacements. 

Once  the constants C1,C2,C3,C4,C5 and C6 are known  ,  it  is possible  to  rich 

the functions of interest. In particular, we pay the attention on  the bending 

moment in order to study its variation between the case of finite KGA and 

infinite KGA .Bending moments can be expressed as follows: 

, ,2 2xxxx xxEI EI EIM v EIv q

KGA EIα α⎛ ⎞

= − − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠  (6.38)

that is, in terms of constants of integration : 

( ) ( )

( ) ( )

4 41 22

22 2

1 2 3 4

2

cosh

cosh 6 22

EI qM C senh x C xEI

q xEI C senh x C x C x CEI

EI EIqKGA EI

α α α αα

α α α α

α

⎡ ⎤= + + +⎢ ⎥⎣ ⎦⎡ ⎤

− + + + + +⎢ ⎥⎣ ⎦

⎛ ⎞− +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

 (6.39)

Simplifying the above equations: 

2

3 42 1 6 22

q EI q x EIM EIC x EIC qEI KGAα

⎛ ⎞= − − − − − −⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

  (6.40)

and substituting the value of the constants, we have: 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

186 

 

( )( )

( )(

( )( ) ( ) )( ) ( ) ( ) ( )( )

2

2

2

2

42 2 2

12

3 88

4 *

*cosh 8 1

qx q EI q EIMEI KGA

q EI EI EI EI KGAEI KGA

xq EI EI EI KGAPEI EI EI EI KGA L L EI KGA

L EI EI KGA L senh L

α

α

α

α

α α α

α α α

⎛ ⎞= − − − − +⎜ ⎟Σ⎝ ⎠

Σ + −Σ+ +

Σ

⎡− − −Σ +⎣

− Σ + −Σ − Σ

⎤+ −Σ + ⎦

  (6.41)

A final check about the limit behaviour of the solution can be carried out in 

terms  of  bending moments M(x), which  directly  reduces  to  the  case  of 

monolithic Bernoulli beam as 2KGAL

EI→∞ and Lα →∞ : 

2

38 2q L q xM x= −   (6.42)

 

6.2.5 Comparisons between Timoshenko model and Bernoulli 

model 

In order  to evaluate  the  influence of  the shear flexibility on bending 

moment,  the  values  of  the  bending  moments  are  reported  against 

parameter αL  for both the cases of finite KGA  and for infinite KGA. 

The first diagram in Figure 6.47 shows bending moment values throughout 

the beam axis; continuous  line refers  to  the case of  infinite shear stiffness, 

while the discontinuous one is related to the case of finite value of KGA. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  187 

 

In  the  following  Figure  6.48÷6.54,    the  bending  moments  obtained  for 

different cases of αL  ranging from 0 to 70 are reported comparing the case 

of finite and infinite shear stiffness. Only the solution of one span has been 

represented for the sake of symmetry. 

In the following graphs, the bending moments are expressed in  KNm. 

 

 

 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

188 

 Figure 6.47. Bending moment. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  189 

 

Figure 6.48. (αL)=0. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

190 

 

Figure 6.49. (αL)=1. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  191 

 

Figure 6.50. (αL)=10. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

192 

 Figure 6.51. (αL)=20. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  193 

 Figure 6.52. (αL)=30. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

194 

 Figure 6.53. (αL)=50. 

Capitolo VI ‐ Applications 

  195 

 Figure 6.54.  (αL)=70. 

Giuseppe Di Palma    163/000542 

196 

 

 Also  the minimum  value  of  the  bending   moment  for  finite  KGA  and 

infinite KGA with fixed the seven values of αL are reported.  

 

Mmin  Mmin  ΔM/M KNm  KNm  % 

KGA finito  KGA infinito        

aL=0  aL=0   623  625  0,28           

aL=1  aL=1   606  609  0,36           

aL=10  aL=10   564  573  1,52           

aL=20  aL=20   596  606  1,68           

aL=30  aL=30   605  615  1,71           

aL=50  aL=50   610  621  1,73           

aL=70  aL=70   612  623  1,73 

Table 6.7. Values of the minimum bending  moment. 

 

Capitolo VI ‐ Applications 

  197 

 

 Figure 6.55.  

 

Increasing the rigidity of the connection the percentage difference  between 

the moment  under  Bernoulli  hypothesis  and  the  one  under  Timoshenko 

hypothesis  increases  in  turn  (Figure  6.55);  but  this  variation  is  less 

pronounced  compared with  the  one  of  the deflections.  It means  that  the 

static regime, compared with the deformative one,  is    less affected by   the 

difference between the two models. 

Moreover,  in  the  case  examinated,  (αL)=70    can  be  already  considered 

coinciding with the case of infinite connection even as regards the bending 

moment, as the percentage variation becomes constant from (αL)=70. 

It can be seen in the table 6.7.    

 

   

 

198 

 

 

 

7. Conclusions 

• Formulation  of  an  analytical  model  for  shear  flexible  composite 

beams  in  partial  interaction,  representing  a  generalization  of  the 

well‐known Newmark model; 

• derivation of the stiffness matrix and the vector of equivalent nodal 

forces in closed‐form;   

• comparison between  the  stiffness matrix derived  for  shear  flexible 

beams  with  the  ones  derived  by  the  Bernoulli‐based  Newmark 

model;  the key parameters  influencing  the difference between  the 

two  models  have  been  also  emphasized  through  various  case‐

studies; 

• application  of  both  the  analytical model  and  the matrix‐approach 

for solving two relevant case‐studies. 

The  following  issues  are  among  the  possible  future  development  of  the 

proposed model: 

• numerical implementation to reproduce the non‐linear behaviour of 

materials of shear connection; 

• further  generalization  of  the  analytical  model  for  the  case  of 

completely  free  rotations  for  the  two  connected  parts.

   

 

199 

 

 

 

8. Bibliography 

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Capitolo VII‐Conclusioni 

 

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