<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Mater.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Materials</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Mater.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-8016</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">893291</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmats.2022.893291</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Materials</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Influence of the Order Exchange of the Node Connection in the Force Analysis of Steel Structures</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Luo et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Order Influence of Node Connection</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>Shuai</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Dehai</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1584077/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>Kangli</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Fang</surname>
<given-names>Rui</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Wei</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1808028/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Shaoxing University</institution>, <institution>College of Civil Engineering</institution>, <addr-line>Shaoxing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Tongchuang Engineering Design Company LTD</institution>, <addr-line>Shaoxing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/673903/overview">Yang Yu</ext-link>, Western Sydney University, Australia</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/540978/overview">Emanuele Reccia</ext-link>, University of Cagliari, Italy</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1789183/overview">Masoud Mohammadi</ext-link>, Western Sydney University, Australia</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Shuai Luo, <email>839335743@qq.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Smart Materials, a section of the journal Frontiers in Materials</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>15</day>
<month>07</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>893291</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>10</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>16</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Luo, Song, Shen, Fang and Wang.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Luo, Song, Shen, Fang and Wang</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>In the mechanical analysis of steel structures, whether it is static analysis or dynamic analysis, it is necessary to establish the structural stiffness matrix first. In the process of building the structural stiffness matrix, the same element usually has different node code connection orders, and it has never been argued whether the different connection orders of the same element will have an effect on the building of the stiffness matrix. In this study, the influence of the difference in the node connection order on the construction of the element stiffness matrix is studied. First, the structural element stiffness matrix in the global coordinate system is established when the node connection order is different. It is found that the element stiffness matrix in the global coordinate system is indeed inconsistent for the same element with different connection orders. In this study, the elements of the established element stiffness matrix are extracted into the global stiffness matrix of the structural system based on the law of energy conservation; it is found that the global stiffness matrix finally established by using two different connection relationships is the same. The research results of the example show that in the stress analysis of steel structures, selecting different node connection sequences to establish the structural stiffness matrix will obtain the element stiffness matrix under different global coordinate systems. However, through the aggregation process of the global stiffness matrix of the structural system, the global stiffness matrix obtained is consistent, so the different connection sequences of nodes will not affect the stress analysis of steel structures. The example further analyzes the static stress and dynamic responses of the steel structure. The conclusions of this study provide a reliable theoretical basis for the situation that the order of node connections need not be consistent in the finite element modeling of steel structures and are of reference value for the finite element modeling of steel structures.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>stress analysis of steel structure</kwd>
<kwd>finite element analysis</kwd>
<kwd>local coordinate</kwd>
<kwd>global coordinates</kwd>
<kwd>stiffness matrix</kwd>
<kwd>node connection</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>In recent years, the application of high-quality high-performance steel has pushed steel buildings into a boom (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Wang et al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Yang et al., 2021</xref>). In order to ensure the safety of steel structures during design, installation, and use, researchers have used various methods to mechanically analyze the steel structures. <xref ref-type="bibr" rid="B10">Kami&#x144;ski and Supe&#x142; (2016</xref>) analyzed the restrained bending moments of steel beams by the analytical method and the finite difference method. <xref ref-type="bibr" rid="B29">Yu and Zhu (2016</xref>) proposed to combine the finite particle method (FPM) to investigate the nonlinear dynamic performance of a semi-rigid connected planar steel frame. In the mechanical analysis of steel structures, the finite element method is also one of the more commonly used methods compared to these methods (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Iu and Bradford, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Shifferaw and Fanous, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Yu and Zhu, 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Azim and G&#xfc;l, 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Ziemian and Ziemian, 2021</xref>).</p>
<p>Its basic idea is to use the simple and regular geometry of various basic elements in the local coordinate system and the ease of calculation to simulate the various complex structural shapes that occur in actual engineering (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Bathe, 1996</xref>). The basic work of the finite element method consists of two major parts. The first part is the element analysis, i.e., the exploration of the mechanical properties of the element. It includes the selection of the trial functions of the element, the derivation of the element stiffness (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Feng, 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Feng et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Luo and Yang, 2021</xref>) that characterizes the stiffness or flexibility properties of the element, or the flexibility matrix (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Doebling et al., 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Yang et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Zare Hosseinzadeh et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Katebi et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Stutz et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">LI et al., 2020</xref>). The second part is the structural analysis, where the discrete elements are assembled into an overall full-structure computational model, which ultimately enables the matrix equations representing the full structural equilibrium (or coordination) to be obtained (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Pindera, 1991</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Mignolet et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Luo et al., 2018</xref>). Usually, in the process of structural analysis, after completing the nodal coding of the divided structural elements, it is necessary to create the stiffness matrix of each element in the local coordinate system (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Bathe, 1996</xref>). Also, the positive direction of the local coordinates is related to the starting position of the node encoding. The element stiffness matrices in the local coordinate systems established by choosing different node starting positions are not the same, and this phenomenon has not been discussed. Then, it is a matter of concern and investigation whether the resulting element stiffness matrices will cause differences in the global stiffness matrix of the structural system.</p>
<p>In this study, the influence of different node connection sequences on the stiffness matrix is studied in the process of establishing the finite element model. Based on the node connection relationship and energy principle, the element stiffness matrix with different connection sequences is deduced, and the global stiffness matrix of the structure is established based on the element stiffness matrix; the stiffness matrices in different modeling stages are compared and verified. The example further analyzes the static stress and dynamic response of the steel structure. The results have reference values for the stress analysis of steel structures by the finite element method.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Unit Coordinate Conversion</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Element Stiffness Matrix in the Local Coordinate System</title>
<p>The beam element <italic>i j</italic> is analyzed in a local coordinate system, and its material parameters are known. The node displacement is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Node displacement in local coordination.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g001.tif"/>
</fig>
<p>The displacement component of the beam end can be expressed as follows:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus, the stiffness matrix of the beam element in a local coordinate system can be obtained (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Luo and Liu, 2016</xref>) as follows:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Element Stiffness Matrix in the Global Coordinate System</title>
<sec id="s2-2-1">
<title>2.2.1 Forward Process</title>
<p>The beam element is placed in the global coordinate system (as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> with the sequence of element connection from <italic>i</italic> point to <italic>j</italic> points). In order to obtain the element stiffness matrix of the beam element in the global system, we rotated the global coordinate system counterclockwise at an angle of &#x3c6;<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> so that the axis <italic>x</italic> coincides with the axis of the beam element.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Global coordinate system rotation diagram (point <italic>i</italic> to point <italic>j</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g002.tif"/>
</fig>
<p>According to the transformation relation between the global displacement and local displacement, the transformation matrix <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> (<xref ref-type="bibr" rid="B26">YANG et al., 2019</xref>) can be obtained:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Through the transformation matrix, the element stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub> in the global coordinate system with the element connection relation from point <italic>i</italic> to point <italic>j</italic> can be obtained (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Luo and Yan, 2015</xref>):<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2">
<title>2.2.2 Reverse Process</title>
<p>We selected the same beam element, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, with the element connection sequence from points <italic>j</italic> to <italic>i</italic> and rotated the global coordinate system counterclockwise at an angle of &#x3c6;<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> so that axis <italic>x</italic> overlapped with the axis of the beam element.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Global coordinate system rotation diagram (point <italic>j</italic> to point <italic>i</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g003.tif"/>
</fig>
<p>According to the coordinate correspondence <italic>&#x3c6;</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> &#x3d; 180<sup>&#x3002;</sup>&#x2b; &#x3c6;<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>, the transformation matrix <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> is as follows:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Through the transformation matrix, the element stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub> in the global coordinate system with the element connection relation from point <italic>j</italic> to point <italic>i</italic> can be obtained as follows:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Comparing <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs. 4</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, we can get<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, for the same element, different connection sequences of elements will lead to inconsistency of the element stiffness matrix in the global coordinate system. The influence of such inconsistency on the global stiffness matrix of structure is worthy of further study.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Structural Global Matrix</title>
<p>For the element in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, the elastic strain energy <italic>e</italic> of the element can be expressed as follows: (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Luo and Liu, 2016</xref>)<disp-formula id="e8a">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e8b">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The elastic strain energy <italic>E</italic> of the same element in the overall structure can be expressed as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Luo and Liu, 2016</xref>):<disp-formula id="e9a">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e9b">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to the law of energy conservation, the elastic strain energy of the element remains unchanged no matter how the connection sequence and coordinate system are selected:<disp-formula id="e10a">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10b">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10c">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10d">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10d)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e9a">Eqs. 9a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e9b">b</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e10b">Eq. 10b</xref>, we obtain<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>&#x394; in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9a">Eqs. 9a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e9b">b</xref> is the displacement component of the overall frame structure. For the frame structure with <italic>n</italic> nodes, it can be expressed as a 3<italic>n</italic> F0B4 1 column vector.<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding element displacement component is extracted from the displacement component of the overall frame structure, and a 6 F0B4 3<italic>n</italic> extraction matrix <italic>T</italic> (element subscript is the row and column) is established (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Luo et al., 2019</xref>):<disp-formula id="e13a">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>3,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>4,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>6,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13b">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>4,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>6,3</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>3,3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mtext>0</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13b)</label>
</disp-formula>where <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> represents the element displacement component extracted from the integral displacement component in the order that point <italic>i</italic> is connected to point <italic>j</italic>, and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> represents the element displacement component extracted from the integral displacement component in the order that point <italic>j</italic> is connected to point <italic>i</italic>.</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13a">Eqs. 13a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e13b">b</xref>, the process of extracting the element displacement component from the global displacement component can be expressed as follows:<disp-formula id="e14a">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e14b">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e14a">Equations 14a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e14b">b</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e8a">Equations 8a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e8b">b</xref> we obtain<disp-formula id="e15a">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15b">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e9a">Eq. 9a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15a">Eq. 15a</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e10c">Eq. 10c</xref> and at the same time substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e9b">Eq. 9b</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15b">Eq. 15b</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e10d">Eq. 10d</xref>, the conversion relationship of the element stiffness matrix in the global coordinate system can be obtained as follows:<disp-formula id="e16a">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16b">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, by substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs. 4</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">Eq. 16a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">Eq. 16b</xref>, we can obtain the following:<disp-formula id="e17a">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17b">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>, it is known that the element stiffness matrix <italic>k</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> in the local coordinate system is unique. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref>, in the process of transforming local coordinates into global coordinates, the stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> of the element in the global coordinate system will change if different element connection relations are selected; however, in the process of the global stiffness assembly, the elements of <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> need to be extracted into the overall structure matrix according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">Eqs. 16a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">b</xref>, based on the corresponding relationship of the element node degrees of freedom. Therefore, the modeling of the element stiffness matrix is composed of two steps. The first step is to transform the element stiffness matrix in the local coordinate system into the global coordinate system, and the second step is to extract the element stiffness matrix elements in the global coordinate system into the global matrix.</p>
<p>It can be seen from <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> that the two stiffness matrices obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">Eqs. 17a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">b</xref> are the same, and changing the connection relation of elements does not affect the modeling results of the element stiffness matrix.</p>
<p>The elastic strain energy <italic>E</italic>
<sub>t</sub> of the given structure is expressed as follows:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The elastic strain energy of the structure is the sum of the elastic strain energy of each element, namely,<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e9a">Eqs. 9a</xref>,<xref ref-type="disp-formula" rid="e9b">b</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref>, we can obtain<disp-formula id="e20a">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e20b">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The comprehensive <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eqs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e20a">20</xref> can be obtained as follows:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Finally, the boundary conditions of the structure are considered, and the rows and columns corresponding to the freedom of constraint in <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> are modified to obtain the global matrix <italic>K</italic> of the structure. Because the boundary conditions are the same, regardless of the selection of the node connection order, the result can be obtained as follows:<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, for the same structure, different cell connection orders will not change the global matrix of the structure. This conclusion optimizes the process of overall structural analysis, especially the computer programming for frame structure, which can improve the logic of the program.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Example Analysis</title>
<p>Taking the rigid frame structure shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> as an example, the section shapes and dimensions of element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; are equal. See <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> for various material properties of the beam element. The displacement and element internal force of the rigid frame structure under the action of external force are calculated.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Calculation model and the section size of the rigid frame. <bold>(A)</bold> Calculation model. <bold>(B)</bold> Section size (unit: mm).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g004.tif"/>
</fig>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Table of the structural unit material property.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Element type</th>
<th align="center">Material properties</th>
<th align="center">Material property value</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td rowspan="4" align="left">Beam</td>
<td align="left">Elastic modulus (E)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.1</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Sectional area (A)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.23</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Moment of inertia (I)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.02</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Length (L)</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Forward Process</title>
<p>The global matrix of the structure is calculated, according to the node coding shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Node coding (point <italic>i</italic> to point <italic>j</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g005.tif"/>
</fig>
<p>In the first step, the stiffness matrix <italic>k</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> is found to be the same for all three elements in the figure in the local coordinate system, according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>.</p>
<p>In the second step, the coordinate conversion matrix S of each element is found. For element &#x2460;, the tilt angle is 45<sup>&#x3002;</sup>. Element &#x2461; has no inclination, that is, the global coordinate system coincides with the local coordinate system. For element &#x2462;, the tilt angle is 135<sup>&#x3002;</sup>. By substituting the inclination angle of each element into <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, the conversion matrices <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; can be obtained.</p>
<p>In the third step, the stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> of each element in the global coordinate system is obtained. By substituting the transformation matrices <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> of each element into <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>, the stiffness matrices <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; in the global coordinate system can be obtained, respectively.<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the fourth step, the extraction matrix <italic>T</italic> of the stiffness matrix of each element is determined, according to the location of the element displacement component in the global displacement component. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13a">Eq. 13a</xref>, the extraction matrices corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; are <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>3</sup>, respectively.</p>
<p>In the fifth step, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub> is obtained according to the transformation relation of the element stiffness matrix in the global coordinate system. Substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>1</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>1</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">Eq. 16a</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gij</italic>
</sub>
<sup>1</sup> of element &#x2460;; substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>2</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>2</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">Eq. 16a</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gij</italic>
</sub>
<sup>2</sup> of element &#x2461;; and substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">Eq. 16a</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gij</italic>
</sub>
<sup>3</sup> of element &#x2462;.</p>
<p>In the sixth step, it can be seen from <xref ref-type="disp-formula" rid="e20a">Eq. 20a</xref> that <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gij</italic>
</sub> of the three elements is accumulated to obtain the 12th order structural global matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Gij</italic>
</sub>.</p>
<p>In the seventh step, it can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> that node 1 and node 4 have fixed end constraints, so the node displacement and rotation angle of these two points are 0. Therefore, the row and column corresponding to the displacement component of node 1 and node 4 in <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Gij</italic>
</sub> are deleted, and the global matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> of the rigid frame structure in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> is obtained as follows:<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.2702</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4906</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.3600</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.2702</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4906</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0748</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.3600</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Reverse Process</title>
<p>The global matrix of the structure is calculated according to the node coding shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Node coding (point <italic>j</italic> to point <italic>i</italic>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g006.tif"/>
</fig>
<p>In the first step, the stiffness matrix <italic>k</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> of the three elements in the local coordinate system is found according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>.</p>
<p>In the second step, the coordinate conversion matrix S of each element is found. For element &#x2460;, the tilt angle is 225&#xb0;. For element &#x2461;, the tilt angle is 180&#xb0;; for element &#x2462;, the tilt angle is 315&#xb0;. By substituting the inclination angle of each element into <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, the conversion matrices <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; can be obtained.</p>
<p>In the third step, the stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> of each element in the global coordinate system is obtained. By substituting the transformation matrices <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> of each element into <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, the stiffness matrices <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; in the global coordinate system can be obtained, respectively.<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1.6800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the fourth step, the extraction matrix <italic>T</italic> of the stiffness matrix of each element is determined, according to the location of the element displacement component in the global displacement component. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e13b">Eq. 13b</xref>, the extraction matrices corresponding to element &#x2460;, element &#x2461;, and element &#x2462; are <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>1</sup>, <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>2</sup>, and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>3</sup>, respectively.</p>
<p>In the fifth step, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub> is obtained according to the transformation relation of the element stiffness matrix in the global coordinate system. Substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>1</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>1</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">Eq. 16b</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gji</italic>
</sub>
<sup>1</sup> of element &#x2460;; substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>2</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>2</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">Eq. 16b</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gji</italic>
</sub>
<sup>2</sup> of element &#x2461;; and substituting <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> and <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">Eq. 16b</xref>, we can obtain <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gji</italic>
</sub>
<sup>3</sup> of element &#x2462;.</p>
<p>In the sixth step, it can be seen from <xref ref-type="disp-formula" rid="e20b">Eq. 20b</xref> that <italic>K</italic>
<sub>
<italic>gji</italic>
</sub> of the three units is accumulated to obtain the 12-order structural global matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Gji</italic>
</sub>.</p>
<p>In the seventh step, it can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> that node 1 and node 4 are constrained by fixed ends, so the node displacement and rotation angle of these two points are 0. Therefore, the row and column corresponding to the displacement component of node 1 and node 4 in <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Gji</italic>
</sub> are deleted, and the global matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> of the rigid frame structure in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> is obtained as follows:<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.2702</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4906</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.3600</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.8300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>7.2702</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0504</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4906</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0738</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2520</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.0748</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>3.3600</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Through the example, we can find <italic>K</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub>&#x2260;<italic>K</italic>
<sub>
<italic>eji</italic>
</sub> and <italic>K</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> &#x3d; <italic>K</italic>
<sub>
<italic>ji</italic>
</sub> and verify the conclusion of <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eqs. 7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Displacement and Bearing Reaction</title>
<p>In the first step, the external load vector <italic>F</italic> is established. According to <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, a vertical external force of 100&#xa0;<italic>KN</italic> is applied at node 2, which is expressed as a column vector given as follows:<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the second step, the structural stiffness equation is established as follows:<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The displacement vector <italic>U</italic> can be obtained by transforming <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref>:<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the third step, the displacement vector <italic>U</italic> can be obtained by substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eqs. 26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">31</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref>:<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.554</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.819</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.071</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.452</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.307</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.114</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The first three lines of <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> represent the displacement and rotation angle of node 2, and the last three lines represent the displacement and rotation angle of node 3.</p>
<p>The fourth step determined the stiffness equation of the complete structure, which is given as follows:<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where <italic>R</italic> is the load array of four nodes in the structure; it is expressed as follows:<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> can be transformed into a column vector of 4&#x2179;1. <disp-formula id="e37">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, &#x394; is the displacement array of four nodes in the structure, which can be transformed into the column vector of 4&#x2179;1.<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Because there is a fixed end constraint between node 1 and node 4, the displacement and rotation angle of node 1 and node 4 are 0, so<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the fifth step, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> is divided into a stiffness sub block array in the order of connecting point <italic>i</italic> to point <italic>j</italic> and loaded into the global matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> (the process of point <italic>j</italic> connecting to point <italic>i</italic> is similar, and the final <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> result is the same, so it will not be described here)</p>
<p>Element &#x2460; is split from node 1 to node 2:<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Element &#x2461; is split from node 2 to node 3:<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Element &#x2462; is split from node 4 to node 3:<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>34</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The global stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> can be obtained by combining the element stiffness matrix derived from <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Eqs. 40</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e42">42</xref>, and the global stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> is expressed as follows:<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>34</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the sixth step, the support reaction of constrained nodes is calculated.</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eqs. 37</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">39</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, we can obtain the following:<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>where the significance of the stiffness sub-block <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>12</sub>
<sup>1</sup> is the force generated by node 1 when node 2 has element displacement in the global coordinate system. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>, the stiffness sub-block <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>12</sub>
<sup>1</sup> is<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The significance of the stiffness sub-block <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>43</sub>
<sup>3</sup> is the force generated at node 4 when node 3 has unit displacement in the global coordinate system. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>, the stiffness sub-block <italic>K</italic>
<sub>
<italic>e</italic>43</sub>
<sup>3</sup> is as follows:<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.3898</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.4402</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1782</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8400</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref>, it can be known as<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.554</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2.819</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.071</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.452</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>2.307</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.114</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e46">Eqs. 46</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e48">48</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">Eq. 44</xref>, we can obtain<disp-formula id="e50">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>49</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>1923</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>78</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>8027</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>101</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>7109</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Eqs. 47</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">49</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Eq. 45</xref>, we can obtain<disp-formula id="e51">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mn>49</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>0417</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>9933</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>94</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>3814</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Because <italic>R</italic>
<sub>1</sub> contains the known external load array <italic>F</italic>
<sub>1</sub> and the reaction force <italic>f</italic>
<sub>1</sub> on the supporting node,<disp-formula id="e52">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(52)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The same can be given as follows:<disp-formula id="e53">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(53)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>There is no external load on node 1 and node 4, so<disp-formula id="e54">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(54)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e55">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(55)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e50">Eqs. 50</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e54">54</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Eq. 52</xref>, the supporting reaction force at node 1 can be obtained as follows:<disp-formula id="e56">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>49</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>1923</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>78</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>8027</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>101</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>7109</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(56)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e52">Eqs. 52</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e55">55</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e53">Eq. 53</xref>, the supporting reaction force at node 4 can be obtained as follows:<disp-formula id="e57">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mn>49</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>0417</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>9933</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>94</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>3814</mml:mn>
<mml:mtext>kN</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(57)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The drawing of deformation diagram of rigid frame structure is shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> (solid line after deformation and dotted line before deformation).</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Frame structure deformation diagram.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4 Structural Dynamic Analysis Based on the State Space Model</title>
<p>We continued taking the rigid frame structure shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> as an example to analyze the dynamic response of the rigid frame under different working conditions, the specific working conditions are shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Calculation cases.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Case</th>
<th align="center">External incentive</th>
<th align="center">Damping ratio (<italic>&#x3b6;</italic>)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Case 1</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 2</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 3</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 4</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 5</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 6</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 7</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 8</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 9</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 10</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 11</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 12</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The working conditions are as follows: by comparing cases 1 to 4 to study the dynamic response of rigid frame structures with different damping ratios when the harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz) is equal; by comparing cases 5 to 8 to study the dynamic response of rigid frame structures with different damping ratios when harmonic excitation (frequency is the first-order frequency of the structure) causes structural resonance; and by comparing cases 1 to 4 with cases 5 to 8 to study the dynamic response of the structure under different excitations when the damping ratio is the same; cases 9 to 12 are used to investigate whether the dynamic response of the structure under the excitation of EL Centro seismic waves conforms to the laws of the dynamic response of the structure discussed in cases 1 to 8.</p>
<sec id="s4-4-1">
<title>4.4.1 Dynamic Response Analysis Process of Example</title>
<p>In the first step, the global mass matrix is established in the global coordinate system <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub>.</p>
<p>The element mass matrix in the local coordinate system is (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Ding and Chen, 2006</xref>)<disp-formula id="e58">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>420</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>140</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>156</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>54</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>140</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>54</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>156</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>22</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(58)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, through the transformation matrix <italic>S</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, the element mass matrix <italic>m</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> in the local coordinate system can be transformed into the element mass matrix <italic>M</italic>
<sub>
<italic>eij</italic>
</sub> in the global coordinate system.<disp-formula id="e59">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(59)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The matrix <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub> is extracted by <xref ref-type="disp-formula" rid="e13a">Eq. 13a</xref>, and each element in <italic>M</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> is extracted into the global structure matrix.<disp-formula id="e60">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(60)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The global mass matrix <italic>M</italic>
<sub>
<italic>Gij</italic>
</sub> of the structure under the global coordinate system is obtained by accumulation.<disp-formula id="e61">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(61)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to the parameters in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> and <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, the global mass matrix <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> of the structure in the global coordinate system is calculated.</p>
<p>In the second step, the treatment of boundary conditions of the finite element method is carried out (mark 0 to set 1) (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Reddy, 2019</xref>).</p>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, because node 1 and node 4 are fixed ends, each fixed end has three constraints. Therefore, the boundary conditions of the global mass matrix <italic>M</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> and the global stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>G</italic>
</sub> of the structure in the global coordinate system are processed, respectively (mark 0 to set 1) the global mass matrix <italic>M</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub> and global stiffness matrix <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub> of the structure in the processed global coordinate system are obtained.</p>
<p>In the third step, the damping matrix is established.</p>
<p>In general, Rayleigh damping can be expressed as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Cruz and Miranda, 2017</xref>):<disp-formula id="e62">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(62)</label>
</disp-formula>where <italic>a</italic>
<sub>0</sub> and <italic>a</italic>
<sub>1</sub> are two scaling coefficients.<disp-formula id="e63">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(63)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>1</sub> and <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>2</sub> represent the first-order frequency and the second-order frequency, respectively, and <italic>&#x3b6;</italic> represents the structural damping ratio. For convenience, the first two modal damping values of the structure analyzed in this study are the same.</p>
<p>The damping ratios are 0.01, 0.015, 0.02<italic>,</italic> and 0.025, respectively, and brought into <xref ref-type="disp-formula" rid="e62">Eq. 62</xref> together with <italic>M</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub>, <italic>K</italic>
<sub>
<italic>Z</italic>
</sub>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e63">Eq. 63</xref>; the damping matrices <italic>C</italic>
<sub>z0.01</sub>, <italic>C</italic>
<sub>z0.015</sub>, <italic>C</italic>
<sub>z0.02</sub>, and <italic>C</italic>
<sub>z0.025</sub> of the steel frame structure are obtained, respectively.</p>
<p>In the fourth step, based on the state space model, the dynamic analysis of the rigid frame structure is carried out.</p>
<p>The discrete-time state space model of the system can be expressed as follows: (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Moonen et al., 1989</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Swindlehust et al., 1995</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Bernal et al., 2015</xref>)<disp-formula id="e64">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(64)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e65">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(65)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Among them,<disp-formula id="e66">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(66)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e67">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B&#x3d;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">0</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(67)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e68">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(68)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e69">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(69)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<bold>
<italic>A</italic>
</bold> is the state matrix of the discrete-time system, <bold>
<italic>B</italic>
</bold> is the input matrix of the discrete-time system, and <bold>
<italic>C</italic>
</bold>
<sub>1</sub> and <bold>
<italic>D</italic>
</bold> are the observation matrices of the state and input of the discrete-time system, respectively. &#x394;<italic>t</italic> is the sampling period, <bold>
<italic>C</italic>
</bold>
<sub>a</sub>, <bold>
<italic>C</italic>
</bold>
<sub>v</sub>, and <bold>
<italic>C</italic>
</bold>
<sub>d</sub> are the acceleration output matrix, velocity output matrix, and displacement output matrix, respectively, <bold>
<italic>A</italic>
</bold>
<sub>c</sub> is the state matrix of the structural continuous time system, and <bold>
<italic>B</italic>
</bold>
<sub>c</sub> is the input matrix of the structural continuous time system.<disp-formula id="e70">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn mathvariant ="bold">0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn mathvariant ="bold">0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(70)</label>
</disp-formula>
<bold>
<italic>I</italic>
</bold> is the identity matrix, <bold>
<italic>C</italic>
</bold> is the damping matrix, <bold>
<italic>M</italic>
</bold> and <bold>
<italic>K</italic>
</bold> are the global mass matrix and global stiffness matrix after finite element boundary condition treatment, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s4-4-2">
<title>4.4.2 Dynamic Response Analysis of the Rigid Frame Structure</title>
<sec id="s4-4-2-1">
<title>4.4.2.1 Dynamic Response of the Rigid Frame Structure Under Harmonic Excitation</title>
<p>The discrete-time state space model is used to describe the system. The sampling frequency is set as <italic>Fs</italic> &#x3d; 200Hz, the sampling interval as 1/<italic>Fs</italic>, and the number of generated samples as <italic>N</italic> &#x3d; 1,000 to sample the output displacement, output speed, and output acceleration, respectively.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) Dynamic response of the rigid frame structure under the harmonic excitation with a frequency of 11&#xa0;Hz.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>When the harmonic excitation with a frequency of 11&#xa0;Hz is adopted, the output response of the system under different damping ratios is recorded from the initial time, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A&#x2013;D</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(2) Dynamic responses of the rigid frame structure under the harmonic excitation with a frequency of 13.3592&#xa0;Hz</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 11&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.01). <bold>(B)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 11&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.015), <bold>(C)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 11&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.02). <bold>(D)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 11&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.025).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g008.tif"/>
</fig>
<p>Because the first-order natural frequency of the structure is 13.3592&#xa0;Hz, the structure resonates when the frequency of harmonic excitation is 13.3592&#xa0;Hz. The output response of the system under different damping ratios is recorded from the initial time, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9A&#x2013;D</xref>.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 13.3592&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.01). <bold>(B)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 13.3592&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.015). <bold>(C)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 13.3592&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.02). <bold>(D)</bold> Time history curve of the output response under harmonic excitation (f &#x3d; 13.3592&#xa0;Hz and &#x3b6; &#x3d; 0.025).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-4-2-2">
<title>4.4.2.2 Dynamic Response of the Rigid Frame Structure Excited by an El Centro Seismic Wave</title>
<p>The discrete-time state space model is used to describe the system. The drive of the system is the seismic wave input. The seismic wave adopts 500gal El Centro wave, the sampling period is 0.02s, and the number of generated samples is <italic>N</italic> &#x3d; 1,500.</p>
<p>When El Centro seismic wave excitation is adopted, the output response of the system under different damping ratios is recorded from the initial time, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figures 10A&#x2013;D</xref>.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Time history curve of the output response under El Centro seismic wave excitation (&#x3b6; &#x3d; 0.01). <bold>(B)</bold> Time history curve of the output response under El Centro seismic wave excitation (&#x3b6; &#x3d; 0.015). <bold>(C)</bold> Time history curve of the output response under El Centro seismic wave excitation (&#x3b6; &#x3d; 0.02).<bold>(D)</bold> Time history curve of the output response under El Centro seismic wave excitation (&#x3b6; &#x3d; 0.025)</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g010.tif"/>
</fig>
<p>The peak values of displacement, velocity, and acceleration of each case of the structure are extracted, respectively. The specific data are shown in the table as follows.</p>
<p>In order to more clearly show the relationship between the structural damping ratio and displacement, and velocity and acceleration under different external excitation, we draw the data in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> into a broken line diagram, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figures 11A&#x2013;C</xref>.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Peak values of displacement, velocity, and acceleration of structures under different cases.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Case</th>
<th align="center">External incentive</th>
<th align="center">Damping ratio</th>
<th align="center">Displacement (m)</th>
<th align="center">Speed (m/s)</th>
<th align="center">Acceleration (m/s<sup>2</sup>)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Case 1</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.0283</td>
<td align="char" char=".">2.0936</td>
<td align="char" char=".">168.1733</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 2</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
<td align="char" char=".">0.0273</td>
<td align="char" char=".">2.0074</td>
<td align="char" char=".">158.4512</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 3</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
<td align="char" char=".">0.0264</td>
<td align="char" char=".">1.9405</td>
<td align="char" char=".">151.2406</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 4</td>
<td align="left">Harmonic excitation (frequency: 11&#xa0;Hz)</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
<td align="char" char=".">0.0255</td>
<td align="char" char=".">1.8786</td>
<td align="char" char=".">144.6427</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 5</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.2724</td>
<td align="char" char=".">22.8122</td>
<td align="char" char=".">1917.0000</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 6</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
<td align="char" char=".">0.1841</td>
<td align="char" char=".">15.4405</td>
<td align="char" char=".">1,294.4000</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 7</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
<td align="char" char=".">0.1383</td>
<td align="char" char=".">11.6095</td>
<td align="char" char=".">971.9114</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 8</td>
<td align="left">Harmonic excitation (the frequency is the first-order frequency of the structure)</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
<td align="char" char=".">0.1107</td>
<td align="char" char=".">9.2911</td>
<td align="char" char=".">777.6984</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 9</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.010</td>
<td align="char" char=".">0.0158</td>
<td align="char" char=".">2.3664</td>
<td align="char" char=".">655.7782</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 10</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.015</td>
<td align="char" char=".">0.0141</td>
<td align="char" char=".">2.0825</td>
<td align="char" char=".">567.5561</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 11</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.020</td>
<td align="char" char=".">0.0128</td>
<td align="char" char=".">1.8396</td>
<td align="char" char=".">478.9636</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Case 12</td>
<td align="left">EL Centro seismic wave</td>
<td align="char" char=".">0.025</td>
<td align="char" char=".">0.0122</td>
<td align="char" char=".">1.7121</td>
<td align="char" char=".">400.0018</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Relationship between the damping ratio and displacement. <bold>(B)</bold> Relationship between the damping ratio and velocity. <bold>(C)</bold> Relationship between the damping ratio and acceleration.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-893291-g011.tif"/>
</fig>
<p>Combined with <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, it can be seen that in cases 1 to 4, under the harmonic excitation with a frequency of 11Hz, when the damping ratio is 0.01, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure reach the maximum, which are 0.0283m, 2.0936&#xa0;m/s, and 168.1733&#xa0;m/s<sup>20</sup>, respectively; when the damping ratio is 0.025, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure reach the minimum values, which are 0.0255m, 1.8786&#xa0;m/s, and 144.6427&#xa0;m/s<sup>2</sup>, respectively. In the working conditions 5 to 8, under the harmonic excitation with a frequency of 13.3592Hz, when the damping ratio is 0.01, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure reach the maximum, which are 0.2724m, 22.8122&#xa0;m/s, and 1917m/s<sup>2</sup>, respectively; when the damping ratio is 0.025, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure reach the minimum values of 0.1107m, 9.2911&#xa0;m/s, and 777.6984&#xa0;m/s<sup>2</sup>, respectively. It can be seen that under the same excitation, with the increase in the damping ratio, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure gradually decrease, and the structure gradually tends to be stable; moreover, in the structural dynamic analysis, the value of the damping ratio will affect the accuracy of structural dynamic response analysis.</p>
<p>Through the comparative analysis of cases 1 to 4 and cases 5 to 8, it can be seen that in cases 5 to 8, when the excitation frequency is equal to the natural frequency of the rigid frame structure, the structure resonates. At the same damping ratio, the acceleration of the structure is much greater than the corresponding acceleration in cases 1 to 4.</p>
<p>In cases 9 to 12, under the excitation of the El Centro seismic wave, with the increase in the damping ratio, the displacement, velocity, and acceleration of the rigid frame structure gradually decrease, and the structure tends to be stable; moreover, the dynamic response of the rigid frame structure caused by the El Centro seismic wave is less than that of structure resonance. It conforms to the law obtained from the comparative analysis of cases 1 to 8.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>In the stress analysis of steel structures, whether static analysis or dynamic analysis, it is necessary to establish the structural stiffness matrix first. In the process of establishing the structural stiffness matrix, there are usually different coding sequences of nodes for the same element. In this study, the influence of the change in the connection order of element nodes on the global matrix of the structure is discussed, and the mechanical analysis of steel structures is carried out, and the following conclusions are obtained through theoretical deduction and calculation example analysis:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) For the same elements, different nodal connection orders will lead to different element stiffness matrices in the global coordinate system due to the change in the coordinate axis direction.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(2) Although the element stiffness matrices under the established global coordinate system are different, in the process of integrating the global stiffness matrix, the elements of the global stiffness matrix obtained by reordering the corresponding relationship between the node code and the matrix elements are the same. Therefore, there is no difference in the global stiffness matrix of the structure established by changing the node connection relationship, which will not affect the stress analysis of the steel structure. This conclusion provides a reliable theoretical basis for the situation that the order of node connections need not be consistent in the finite element modeling of steel structures and is of reference value for the finite element modeling of steel structures.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(3) When analyzing the dynamic response of rigid frame structures, the dynamic response structure of the structure analyzed by different external excitation processes is different; when the frequency of external excitation is equal to the natural frequency of the structure, the dynamic response value of the structure reaches the peak and the structure resonates.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>(4) Although the change in the damping ratio is small, the peak acceleration of the structure changes obviously. Therefore, the value of the damping ratio will affect the accuracy of the results of structural dynamic analysis.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s6" sec-type="data-availability">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary materials; further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>SL is responsible for pushing the theoretical part; DS and K are responsible for example design and analysis, and writing articles; RF and WW are responsible for further revision and improvement of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>Author RF is employed by Tongchuang Engineering Design Company.</p>
<p>The remaining authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Azim</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>G&#xfc;l</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Data-driven Damage Identification Technique for Steel Truss Railroad Bridges Utilizing Principal Component Analysis of Strain Response</article-title>. <source>Struct. Infrastructure Eng.</source>, <volume>17</volume>(<issue>8</issue>): <fpage>1019</fpage>&#x2013;<lpage>1035</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15732479.2020.1785512</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bathe</surname>
<given-names>K. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <source>Finite Element Procedures</source>. <publisher-loc>Englewood Cliffs, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Prentice-Hall</publisher-name> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bernal</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>D&#xf6;hler</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kojidi</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kwan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>First Mode Damping Ratios for Buildings</article-title>. <source>Earthq. Spectra</source> <volume>31</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>367</fpage>&#x2013;<lpage>381</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1193/101812eqs311m</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cruz</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miranda</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Evaluation of the Rayleigh Damping Model for Buildings</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>138</volume>, <fpage>324</fpage>&#x2013;<lpage>336</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2017.02.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <source>Finite Element Method</source>. <publisher-loc>Beijing</publisher-loc>: <publisher-name>Peking University Press</publisher-name>. <fpage>121</fpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Doebling</surname>
<given-names>S. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peterson</surname>
<given-names>L. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alvin</surname>
<given-names>K. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Experimental Determination of Local Structural Stiffness by Disassembly of Measured Flexibility Matrices</article-title>. <source>J. Vib. Acoust. ASME</source> <volume>120</volume>, <fpage>949</fpage>&#x2013;<lpage>957</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.2893925</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An Investigation on Optimal Initial Self-Stress Design of Tensegrity Grid Structures</article-title>. <source>Int. J. Steel Struct.</source> <volume>18</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>960</fpage>&#x2013;<lpage>975</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s13296-018-0040-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miah</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ou</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ou</surname>
<given-names>Y. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Dynamic Behavior and Vibration Mitigation of a Spatial Tensegrity Beam</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>171</volume>, <fpage>1007</fpage>&#x2013;<lpage>1016</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2018.01.045</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Iu</surname>
<given-names>C. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bradford</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Second-order Elastic Finite Element Analysis of Steel Structures Using a Single Element Per Member</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>32</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>2606</fpage>&#x2013;<lpage>2616</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2010.04.033</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kami&#x144;ski</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Supe&#x142;</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Elastic Critical Moment for Bisymmetric Steel Profiles and its Sensitivity by the Finite Difference Method</article-title>. <source>Int. J. Appl. Mech. Eng.</source>, <volume>21</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>37</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/ijame-2016-0003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Katebi</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tehranizadeh</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohammadgholibeyki</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A Generalized Flexibility Matrix-Based Model Updating Method for Damage Detection of Plane Truss and Frame Structures</article-title>. <source>J. Civ. Struct. Health Monit.</source> <volume>8</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>301</fpage>&#x2013;<lpage>314</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s13349-018-0276-5</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Damage Diagnosis of Modal Flexibility Based on Degree of Freedom Reduction</article-title>. <source>Chin. Q. Mech.</source>, <volume>41</volume>(<issue>3</issue>): <fpage>554</fpage>&#x2013;<lpage>561</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.21656/1000-0887.410138</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Coordinate Transformation Method of Finite Element Model for Frame Structures</article-title>. <source>J. Shaoxing Univ. Nat. Sci.</source>, <volume>36</volume>(<issue>02</issue>): <fpage>17</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.04</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Element Stiffness Matrix Decomposition Method for Frame Structure Damage Identification</article-title>. <source>J. Jiamusi Univ. Nat. Sci. Ed.</source>, <volume>06</volume>:<fpage>858</fpage>&#x2013;<lpage>860&#x2b;1009</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Coordinate Transformation Method of Finite Element Model for Truss Structures</article-title>. <source>Sichuan Build. Sci.</source>, <volume>41</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>10</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3969/j.issn.1008-1933.2015.03.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Natural Frequency Measurement of Steel Components by the Sound Signal</article-title>. <source>J. Low Freq. Noise, Vib. Act. Control</source> <volume>40</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>993</fpage>&#x2013;<lpage>1004</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1461348419860712</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liang</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Assembling Global Stiffness Matrix for Finite Element Model</article-title>. <source>J. Shenzhen Univ. Sci. Eng.</source> <volume>35</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>467</fpage>&#x2013;<lpage>472</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3724/sp.j.1249.2018.05467</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mignolet</surname>
<given-names>M. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soize</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Avalos</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Nonparametric Stochastic Modeling of Structures with Uncertain Boundary Conditions/Coupling Between Substructures</article-title>. <source>AIAA J.</source> <volume>51</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1296</fpage>&#x2013;<lpage>1308</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2514/1.j051555</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moonen</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Moor</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vandenberghe</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vandewalle</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989</year>). <article-title>On- and Off-Line Identification of Linear State-Space Models</article-title>. <source>Int. J. Control</source> <volume>49</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>219</fpage>&#x2013;<lpage>232</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/00207178908559631</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pindera</surname>
<given-names>M.-J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1991</year>). <article-title>Local/global Stiffness Matrix Formulation for Composite Materials and Structures</article-title>. <source>Compos. Eng.</source> <volume>1</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>69</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0961-9526(91)90028-q</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reddy</surname>
<given-names>J. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <source>Introduction to the Finite Element Method</source>. <publisher-loc>New york</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill Education</publisher-name> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shifferaw</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fanous</surname>
<given-names>F. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Field Testing and Finite Element Analysis of Steel Bridge Retrofits for Distortion-Induced Fatigue</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>49</volume>, <fpage>385</fpage>&#x2013;<lpage>395</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2012.11.023</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stutz</surname>
<given-names>L. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rangel</surname>
<given-names>I. C. S. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rangel</surname>
<given-names>L. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Corr&#xea;a</surname>
<given-names>R. A. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knupp</surname>
<given-names>D. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Structural Damage Identification Built on a Response Surface Model and the Flexibility Matrix</article-title>. <source>J. Sound Vib.</source> <volume>434</volume>, <fpage>284</fpage>&#x2013;<lpage>297</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2018.02.063</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Swindlehust</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roy</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ottersten</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kailath</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <source>A Subspace Fitting Method for Identification of Linear State-Space Models</source>. <publisher-loc>New jersy, US</publisher-loc>: <publisher-name>Automatic Control, IEEE Transactions on</publisher-name> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Novel Coupled Modular Steel Structure and Seismic Tests on High-Performance Interconnection</article-title>. <source>J. Constr. Steel Res.</source>, <volume>189</volume>: <fpage>107058</fpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcsr.2021.107058</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo-ran</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Finite Element Analysis of Bar and Beam Composite Structures</article-title>. <source>Eng. Mech.</source>, <volume>36</volume> (<issue>S1</issue>): <fpage>154</fpage>&#x2013;<lpage>157</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.S029</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Multiple-damage Detection Using the Best Achievable Flexibility Change</article-title>. <source>Comput. Model. Eng. Sci.</source>, <volume>91</volume>: <fpage>313</fpage>&#x2013;<lpage>335</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S1446788712000456</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ban</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Experimental and Numerical Studies on Cyclic Behaviour of Superior High-Performance Steel Welded I-Section Beam-Column</article-title>. <source>J. Constr. Steel Res.</source> <volume>184</volume>, <fpage>106789</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcsr.2021.106789</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Nonlinear Dynamic Collapse Analysis of Semi-rigid Steel Frames Based on the Finite Particle Method</article-title>. <source>Eng. Struct.</source> <volume>118</volume>, <fpage>383</fpage>&#x2013;<lpage>393</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2016.03.063</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zare Hosseinzadeh</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghodrati Amiri</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koo</surname>
<given-names>K.-Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Optimization-based Method for Structural Damage Localization and Quantification by Means of Static Displacements Computed by Flexibility Matrix</article-title>. <source>Eng. Optim.</source> <volume>48</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>543</fpage>&#x2013;<lpage>561</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/0305215x.2015.1017476</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ziemian</surname>
<given-names>C. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ziemian</surname>
<given-names>R. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Steel Benchmark Frames for Structural Analysis and Validation Studies: Finite Element Models and Numerical Simulation Data</article-title>. <source>Data Brief</source> <volume>39</volume>, <fpage>107564</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dib.2021.107564</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>