<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">WES</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Wind Energy Science</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">WES</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Wind Energ. Sci.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">2366-7451</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/wes-4-57-2019</article-id><title-group><article-title>Determination of natural frequencies and mode<?xmltex \hack{\break}?> shapes of a wind turbine rotor
blade using<?xmltex \hack{\break}?> Timoshenko beam elements</article-title><alt-title>Natural frequencies and mode shapes of wind turbine rotor
blades</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Natural frequencies and mode shapes of wind turbine rotor
blades}?><?xmltex \runningauthor{E. Stanoev and S. Kusuma Chandrashekhara}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Stanoev</surname><given-names>Evgueni</given-names></name>
          <email>evgueni.stanoev@uni-rostock.de</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Kusuma Chandrashekhara</surname><given-names>Sudhanva</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><institution>Faculty of Mechanical Engineering and Marine Technology, Endowed Chair
of Wind Energy Technology, University of Rostock, Rostock, 18059, Germany</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Evgueni Stanoev (evgueni.stanoev@uni-rostock.de)</corresp></author-notes><pub-date><day>28</day><month>January</month><year>2019</year></pub-date>
      
      <volume>4</volume>
      <issue>1</issue>
      <fpage>57</fpage><lpage>69</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>26</day><month>September</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>15</day><month>October</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>11</day><month>December</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>2</day><month>January</month><year>2019</year></date>
      </history>
      <permissions>
        
        
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019.html">This article is available from https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019.pdf</self-uri>
      <abstract>
    <p id="d1e90">When simulating a wind turbine, the lowest eigenmodes of the rotor blades are
usually used to describe their elastic deformation in the frame of a
multi-body system. In this paper, a finite element beam model for the rotor
blades is proposed which is based on the transfer matrix method. Both static
and kinetic field matrices for the 3-D Timoshenko beam element are derived by
the numerical integration of the differential equations of motion using a
Runge–Kutta fourth-order procedure. In the general case, the beam reference
axis is at an arbitrary location in the cross section. The inertia term in
the motion differential equation is expressed using appropriate shape
functions for the Timoshenko beam. The kinetic field matrix is built by
numerical integration applied on the approximated inertia term. The beam
element stiffness and mass matrices are calculated by simple matrix
operations from both field matrices. The system stiffness and mass matrices
of the rotor blade model are assembled in the usual finite element manner in
a global coordinate system accounting for the structural twist angle and
possible pre-bending. The program developed for the above-mentioned
calculations and the final solution of the eigenvalue problem is accomplished
using MuPAD, a symbolic math toolbox in
MATLAB<sup>®</sup>. The natural frequencies calculated
using generic rotor blade data are compared with the results proposed from
the FAST and ADAMS software.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p id="d1e103">Vibration of an elastic system refers to a limited reciprocating motion of a
particle or an object of the system. Wind turbines operate in an unsteady
environment which results in a vibrating response (see Manwell et al., 2009).
They consist of long slender structures (rotor blades and tower), which
result in resonant frequencies that should be taken into account during the
initial design and construction. When the excitation frequency of the
vibrating system is near any natural frequency, an undesirable resonant state
occurs with large amplitudes, which may lead to damage or even the collapse
of the wind turbine or its components. The vibration response, especially of
the rotor blades, depends on the stiffness which is a function of the
materials used, the design and the size (see Jureczko et al., 2005).
Therefore, the estimation of natural frequencies in the early design phase
plays an important role in avoiding resonance.</p>
      <p id="d1e106">The eigenmodes associated with the lowest natural frequencies are employed as
shape functions to describe the elastic deformation of the rotor blade beam
model in the frame of the usual simulation of the wind turbine as a
multi-body system. Generally, the first two bending eigenmodes in each
direction (flapwise and edgewise) and optionally the two additional
torsional eigenmodes are used. The determination of the lowest eigenmodes
with sufficient numerical accuracy is the first step with respect to the modal
superposition applied to the deformational motion of the rotor blades.</p>
      <p id="d1e109">Due to the geometrical complexity of the blade cross section profiles and the
extended use of composite materials, the exact calculation of natural
frequencies in the design process takes a considerable amount of time and financial
expense<?pagebreak page58?> with regards to the 3-D modelling of the rotor blade using CAD software; hence a
simplified finite element beam model is necessary. A twisted rotor blade is
simplified into a cantilever beam with a non-uniform cross section. The
structural twist angle is implemented by changing the orientation of the
principal axis of the blade cross section along the length of the blade.</p>
      <p id="d1e112">In the finite element formulation of beams two linear beam theories are
established, the Euler–Bernoulli beam model and the Timoshenko beam model.
Although the Euler–Bernoulli beam theory is widely used, the Timoshenko beam
theory is considered to be better as it incorporates the effects of
transverse shear and the rotational inertia on the dynamic response of the
beam (see Kaya, 2006). In the classical approach of the finite element
formulation for the free vibration analysis of beams, the stiffness and mass
matrices are derived using interpolation functions derived from second- and
fourth-order Hermite polynomials. The stiffness matrix is derived from the
following equation (see Wu, 2013):
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math id="M1" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the element stiffness matrix,
<inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the strain matrix and <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
elasticity matrix for the beam. The element mass matrix of the beam (see
Wu, 2013) is derived using the following equation:
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math id="M5" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the element mass matrix, <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
the mass density, <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the volume and <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the matrix of
interpolation functions.</p>
      <p id="d1e241">Using the above-mentioned standard relations and appropriate shape functions
for the Euler–Bernoulli beam and the Timoshenko beam, the stiffness matrix
and consistent mass matrix for the finite beam element can be derived.
However, an alternative to this procedure, based on the transfer matrix
method for the beam theory (see Graf and Vassilev, 2006:69–88 and
Stanoev 2007) is developed in the present article. The element stiffness
matrix can be derived on the basis of numerical integration of the
first-order ordinary differential equation system for the differential beam
element. The associated mass matrix can be developed by numerical integration
of the inertia term in the differential equation of motion. The numerical
integration results in static and kinetic field matrices, from which the
element stiffness and mass matrices can be easily assembled.</p>
      <p id="d1e244">In the present article, the above-mentioned procedure is used to determine
the element stiffness and element mass matrix for the Timoshenko beam. The
interpolation functions used for deriving the mass matrix are based on
Hermite polynomials according to Bazoune and Khulief (2003). The system
stiffness and mass matrices for the rotor blade are assembled in a global
coordinate basis in the usual finite element manner. The numerical solution
of the associated eigenvalue problem for the system without damping is
computed using computer algebra software (in the frame of
MATLAB<sup>®</sup>).</p>
      <p id="d1e250">In Sects. 2 and 3, the proposed method is described in detail; in Sect. 4 the
method is applied on a rotor blade structure with 288 degrees of freedom (DOFs). The results for the
natural frequencies and the corresponding eigenmodes are compared with the
results calculated using the FAST and ADAMS software.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>Theoretical framework for the 3-D Timoshenko beam</title>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <title>Kinematic relationships</title>
      <p id="d1e264">The general assumptions in the linear beam theory are as follows:
<list list-type="custom"><list-item><label>a.</label>
      <p id="d1e269">The beam reference (longitudinal) axis is at any arbitrary location of the cross section.</p></list-item><list-item><label>b.</label>
      <p id="d1e273">The only stresses that occur are normal stresses <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and shear stresses <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>c.</label>
      <p id="d1e316">Cross section planes, which are initially normal to the longitudinal axis, will remain plane after deformation.</p></list-item></list>
The geometrical representation of the deformation state of a beam cross
section is shown in the Fig. 1. The deformations <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
at a cross-sectional point <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> are determined by three displacement functions
<inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M19" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and three cross-sectional rotation angles
<inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> – all
of them are a function of the beam axis coordinate <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The differential
equation system is derived in accordance with Stanoev (2013):</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1" specific-use="star"><caption><p id="d1e461">Deformation at the point (<inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) (see Andersen and
Nielsen, 2008).</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=321.516142pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f01.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page59?><p id="d1e486">As seen in Fig. 1, the displacement vector <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed at
any cross section point <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> as
            <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math id="M27" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The three components of the strains occurring in the beam can be expressed as
the derivatives of the displacement functions <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The axial strain <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the two shear strain components
<inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by the following:

                <disp-formula id="Ch1.E4" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M34" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4.3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the constant shear strains
that are not neglected in Timoshenko beam theory.

                <disp-formula id="Ch1.E5" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M37" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E5.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <title>Principle of virtual work for internal forces</title>
      <p id="d1e1067">The virtual work components for internal forces corresponding to normal
stresses and shear stresses are given by the following:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M38" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced close="}" open="{"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">TP</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the axial force, <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are bending internal
moments, <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the corresponding shear forces and
<inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">TP</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the St. Venant torsional moment.</p>
      <p id="d1e1297">With the introduction of the constitutive relations of Hooke's material law
for the stresses corresponding to the internal forces in Eq. (6) and
expressing the strains using Eqs. (4a)–(4c) and (5a)–(5b), the virtual work
relationship is reformulated as <?xmltex \hack{\allowdisplaybreaks}?>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M45" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mo mathsize="2.5em" mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.1}{8.1}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo mathsize="2.5em" mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the
shear areas in the <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions respectively, <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the corresponding shear correction coefficients, <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the
cross-sectional area, <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the static moment with respect to the <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>
axis, <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the static moment with respect to the <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> axis, <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
the moment of inertia with respect to the <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
moment of inertia with respect to the y direction, <inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the deviation
moment of inertia and <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the torsional moment of inertia.</p>
      <?pagebreak page60?><p id="d1e2141">After the coefficient comparison in Eqs. (6) and (7) the internal forces
corresponding to the normal stresses can be expressed by introducing the
cross sectional stiffness matrix <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">EA</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M63" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">EA</mml:mi></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>⇒</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">EA</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The shear stress components in
Eqs. (6) and (7) lead to the following relations:

                <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><mml:math id="M64" display="block"><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">TP</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          <?xmltex \hack{\vspace*{-8mm}}?>

                <disp-formula id="Ch1.E10" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M65" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The relation described in Eq. (10a) and (10b) implies that the chosen reference axis coincides with
the shear centre due to neglected shear–torsion coupling terms in Eq. (7).</p>
      <p id="d1e2527">For the special case where the cross section coordinate system coincides with
the principal axes, the deformation relationship in Eq. (8) reduces to

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M66" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>⇒</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">EA</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p id="d1e2739">The finite beam element: internal forces and nodal
DOFs.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f02.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <title>Differential equation system</title>
      <?pagebreak page61?><p id="d1e2754">The virtual work relation in Eq. (7) is rewritten for the case where the beam
coordinate system coincides with the principal axis of the cross section –
see Eq. (11).

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M67" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:munder><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="1.5em">{</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo mathvariant="italic" mathsize="1.5em">}</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            After the partial integration of Eq. (12) the cross section deformation
relations and differential equilibrium conditions for the Timoshenko beam
element are compiled in a first-order differential equation system (see
Eqs. 13, 14). For the Timoshenko beam with an arbitrary beam
reference axis at any point on the cross section (see Eq. 8), the system of
differential equations can be expressed in the following form:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M68" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.3}{6.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.3}{6.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">23</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.3}{6.3}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The differential equation system for the Timoshenko beam with the beam
reference axis on principal axes can be represented in the following matrix
form:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M69" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.5}{6.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.5}{6.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E14"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.5}{6.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The entries <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><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:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (13) are determined by the inversion of the
cross-sectional stiffness matrix in Eq. (8):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M71" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">23</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Alternative finite element formulation</title>
      <p id="d1e5001">In the classical finite element formulation, the beam stiffness matrix and
the consistent beam mass matrix are derived by developing an approach for the
displacement functions through shape (interpolation) functions, which consist
of first- and third-order Hermite polynomials. In
this section, an alternative finite element procedure is presented, based on
the numerical Runge–Kutta fourth-order integration of the differential
motion equations. The integration of the static part (the coefficient matrix
in Eqs. 13 and 14 respectively) leads to the static field matrix, while the
integration of the inertia terms in the equation of motion Eq. (16) results
in a kinetic field matrix. In the last step of the integration, using both
field matrices, the respective element stiffness and the element mass
matrices can be calculated using simple matrix operations.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>The differential equations of motion</title>
      <p id="d1e5009">The differential equations of motion for the differential beam
element (see Fig. 2) can be written in a matrix
form according to Stanoev (2007) and Müller (2012) as follows:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M72" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E16"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            In the above-mentioned equation, matrix <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the coefficient matrix (see Eqs. 13,
14) and vector <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the state vector, where
<?xmltex \hack{\addtocounter{equation}{-1}}?>

                <disp-formula id="Ch1.E17" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M75" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E17.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtext mathvariant="normal">is the vector of the displacement functions, and</mml:mtext><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E17.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtext mathvariant="normal">is the vector of internal (section) force functions.</mml:mtext><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The vector <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains the known excitation forces; however, for an
eigenvalue problem <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The coefficient matrix <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
the state vector <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in addition to excitation force <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi></mml:math></inline-formula>
constitute the static part of the motion equation. The kinetic part of the
motion equation can be expressed using a matrix of the interpolation
functions and nodal acceleration
vector as follows:
            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><mml:math id="M81" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where
<inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vector of accelerations, <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the matrix of interpolation
functions (see Sect. 3.3), <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vector with
nodal accelerations and <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the inertia matrix of the differential beam element
(see Sect. 3.2).</p>
</sec>
<?pagebreak page62?><sec id="Ch1.S3.SS2">
  <title>The inertia matrix term</title>
      <p id="d1e5764">The inertia matrix in Eq. (18) implies that the distributed
mass <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (kg m<inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>) is applied eccentrically at any location (<inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in the cross section. The inertia matrix
is expressed according to Stanoev (2013):
            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><mml:math id="M89" display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{6.8}{6.8}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          where <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (kg m) are the mass
moments of inertia for the cross section.

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M93" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E20"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <title>Shape functions for the Timoshenko beam element</title>
      <p id="d1e6188">The acceleration term <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (17) is expressed using the product of
Hermite interpolating polynomials and the nodal acceleration vectors
<inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e6233">Shape functions for axial and torsional deformations <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, are derived using first-order
polynomial as follows:
            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><mml:math id="M99" display="block"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          To express the coefficients <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in terms of the nodal displacements
<inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or in terms
of the torsion <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the following relations
are applied to Eq. (20):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M104" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Substituting Eq. (21) into Eq. (20) results in the shape function for axial
deformation

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M105" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and in the following function for torsional deformation <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E24" content-type="numbered"><mml:math id="M107" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><caption><p id="d1e6870">Definition of the dimensionless coordinate (<inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) of a beam
element.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f03.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page63?><p id="d1e6886"><?xmltex \hack{\noindent}?>The relationships in Eq. (10a), Eq. (11) and the
corresponding part of Eq. (14) are a starting point to derive approximation
functions for bending deformation in the <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane:

                <disp-formula id="Ch1.E25" content-type="numbered"><mml:math id="M110" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Using the above-mentioned relation the expression for <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M112" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E26"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>←</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The translational deformation function <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>is
approximated by a cubic polynomial function:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M114" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E27"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Using the constant shear strain relation in Eqs. (5b) and (26) the polynomial
expression for constant shear strain can be deduced as follows:

                <disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><mml:math id="M115" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>, where</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          By including Eqs. (27) and (26) in Eq. (25) the polynomial expression for
<inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results in

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M117" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E29"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            To determine the coefficients <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the following boundary conditions are
applied:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M119" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The inversion of Eq. (29) yields

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M120" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E31"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The interpolation functions for <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eqs. (26) and (28), can be expressed by employing
Eq. (30):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M123" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E32"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where the products of both matrices <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
introduced as functions <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M127" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E33"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            In Eq. (32), the functions <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are
introduced in an analogous manner.</p>
      <p id="d1e9066">A similar method is used for determining the approximation functions <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for bending deformation in
the <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane.</p>
      <p id="d1e9104">Starting with Eqs. (10b), (11) and (14), the following is obtained:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M133" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E34"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E35"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>←</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The approximations analogous to Eqs. (31) and (32) can be derived as follows:

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M134" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E36"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>v</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E37"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> functions developed in Eqs. (31), (32), (35) and (36) are
“static” shape functions for the Timoshenko beam. Supposing dependence on
time alone for the nodal displacement vectors <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the matrix of the interpolation functions <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the inertia term Eq. (17) can be developed using
Eqs. (31), (32), (35) and (36) (see Kusuma Chandrashekhara, 2018):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M139" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E38"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS4">
  <title>Numerical integration</title>
      <p id="d1e10068">The special form of the numerical Runge–Kutta fourth-order integration method
applied here is described in detail in Müller and Wolf (1975) and
Schenk (2012). The integration operator is applied to the equations of motion
in Eq. (16), i.e.

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M140" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E39"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="bold">m</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            In order to gain sufficient numerical precision the beam axis needs to be
divided into at least 20 integration intervals. The<?pagebreak page64?> integration operator
transfers the known state vector at beginning of the integration interval to
the end of the interval. The integration procedure starts with the state vector
at the first node <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e. at location <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
            <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><mml:math id="M143" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd/><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          The integration operator is subsequently applied to the evaluated
coefficient matrix <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> at each interval by excluding the
initial state vector <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The result are static
field matrices <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, multiplicatively
linked to <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> see Eq. (40). Therefore, each
<inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> matrix “transfers” the state
vector at location <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the end <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the
integration interval considered (transfer matrix method). In the frame of the
integration procedure the actual field matrix <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> serves column wise as an initial vector for the next interval, and the
components of the state vector <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> remain
excluded. The beam “load” vector <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, Eq. (38), evaluated in the actual interval, yields
the <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> column in the <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> matrix after integration – Eq. (40).</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><caption><p id="d1e10517">Eccentrically applied mass <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> point of the
beam in the 3-D case.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=369.885827pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f04.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F5"><caption><p id="d1e10553">First flapwise eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f05.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F6"><caption><p id="d1e10565">First edgewise eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f06.png"/>

        </fig>

      <p id="d1e10574">The numerical integration of the inertia term
<inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (38) is carried out column wise
analogously to the “load” vector, by excluding the nodal accelerations
<inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> – the results are kinetic field
matrices <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the end of each
integration interval (at location <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Eq. 40):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M162" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:munder><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E41"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This type of numerical integration allows (slightly) varying values of the
coefficients of the <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrix, the <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> inertia term
and the <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi></mml:math></inline-formula> vector along the beam axis – i.e. all stiffness, mass and
external load values of the beam element may vary. After the last integration
step at the second node <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>, at location <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, static
<inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and kinetic <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> field
matrices are obtained:

                <disp-formula id="Ch1.E42.1" content-type="subnumberedon"><mml:math id="M170" display="block"><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="subnumberedoff"><mml:math id="M171" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E42.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            According to Eqs. (13) and (14) the state variable <inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
represents six-component displacement vectors for <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, and the state variable
<inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents six-component internal forces vectors
<inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at
locations <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F7"><caption><p id="d1e11421">Second flapwise eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f07.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS5">
  <title>The element stiffness and mass matrices</title>
      <p id="d1e11436">By solving the matrix equation in Eq. (41a) for <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and accounting for the definitions of internal
forces in finite element beam formulation (see Fig. 2),
            <disp-formula id="Ch1.E43" content-type="numbered"><mml:math id="M182" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          one can derive the element stiffness matrix <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the element mass matrix <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
the element forces and moments <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using simple matrix
operations as shown in Eq. (43). Then the beam element relationships for the
internal forces can be formulated as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M186" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.2}{9.2}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.2}{9.2}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.2}{9.2}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.2}{9.2}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E44"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.2}{9.2}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F8"><caption><p id="d1e12182">Mixed flap/edgewise eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f08.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS6">
  <title>Single masses at eccentric positions</title>
      <?pagebreak page65?><p id="d1e12197">The numerical integration according to Runge–Kutta, described in Sec. 3.4,
offers the possibility of including single load or mass quantities within a
beam element. Single eccentric masses can be taken into account at the
integration interval boundaries. In the local coordinate system of the beam
element, at a general position vector <inline-formula><mml:math id="M187" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the eccentric mass and the vector representation of
dynamic equilibrium, Eq. (44a)–(44b), is as shown in Fig. 4. The beam
reference axis is at point <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mi>A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and vector <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents
the acceleration vector at the point of application <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With the help of the dynamic equilibrium conditions
Eq. (44a)–(44b), additional inertia forces and moments due to eccentric mass
can be determined (see Li, 2016):

                <disp-formula id="Ch1.E45" specific-use="align" content-type="subnumberedsingle"><mml:math id="M191" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E45.2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:munderover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">N</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are internal force vectors on
the left and right in differential proximity to
the point at location <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are internal
moment vectors on
the left and right in differential proximity
to the point at location <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Fig. 4), <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the eccentric single
mass, <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the mass moments of inertia of the single mass and
<inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the angular accelerations at location <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F9"><caption><p id="d1e12512">First torsional eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f09.png"/>

        </fig>

      <?pagebreak page66?><p id="d1e12521">The additional inertia matrix
<inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, derived from Eq. (44a)–(44b), is
analogous to the inertia matrix due to distributed mass in Eq. (18).
During the numerical integration within the beam element (see Sect. 3.4) an
additional eccentric inertia term has to be added to the kinetic field matrix at the
end <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (the point of application of eccentric mass) of the corresponding
integration interval – see Eqs. (40) and (45).

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M204" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>x</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">H</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E46"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>b</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Single masses do not usually appear in a rotor blade model, but the same
finite element may be used for the modelling of wind turbine towers. In this case
single masses within a finite beam element could represent bolted ring flange
connections or the mass of any equipment, such as lifts etc.</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1" specific-use="star"><caption><p id="d1e12862">First three calculated (bolded values) flapwise and edgewise
eigenfrequencies.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="6">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">Eigenmode type</oasis:entry>

         <oasis:entry namest="col2" nameend="col3" align="center">  </oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"/>

         <oasis:entry rowsep="1" namest="col5" nameend="col6" align="center">Percentage deviation [%] </oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1"/>

         <oasis:entry colname="col2">FAST</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">ADAMS</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Tim</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">FAST and</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">ADAMS and</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">

         <oasis:entry colname="col1"/>

         <oasis:entry colname="col2">[Hz]</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">[Hz]</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4">[Hz]</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">Timoshenko</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">Timoshenko</oasis:entry>

       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">First blade asymmetric flapwise yaw</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">0.6664</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">0.6296</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"/>

         <oasis:entry colname="col5">0.60</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">6.48</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">First asymmetric flapwise pitch</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">0.6675</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">0.6686</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"><bold>0.6704</bold></oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">0.43</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">0.27</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">

         <oasis:entry colname="col1">First blade collective flap</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">0.6993</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">0.7019</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"/>

         <oasis:entry colname="col5">4.13</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">4.49</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">First blade asymmetric edgewise pitch</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">1.0793</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">1.0740</oasis:entry>

         <oasis:entry rowsep="1" colname="col4" morerows="1"><bold>1.0958</bold></oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">1.53</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">2.03</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">

         <oasis:entry colname="col1">First blade asymmetric edgewise yaw</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">1.0898</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">1.0877</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">0.56</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">0.74</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">Second blade asymmetric flapwise yaw</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">1.9337</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">1.6507</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"/>

         <oasis:entry colname="col5">1.78</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">15.05</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">Second blade asymmetric flapwise pitch</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">1.9223</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">1.8558</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"><bold>1.8992</bold></oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col5">1.20</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">2.34</oasis:entry>

       </oasis:row>
       <oasis:row>

         <oasis:entry colname="col1">Second blade collective flap</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col2">2.0205</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col3">1.9601</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col4"/>

         <oasis:entry colname="col5">6.39</oasis:entry>

         <oasis:entry colname="col6">3.11</oasis:entry>

       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T2" specific-use="star"><caption><p id="d1e13129">Comparison between Timoshenko and Bernoulli beams with three
variants for shear stiffness values.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right" colsep="1"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry rowsep="1" namest="col2" nameend="col4" align="center" colsep="1">Timoshenko beam </oasis:entry>
         <oasis:entry rowsep="1" colname="col5">Bernoulli beam</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">10 %, 20 %</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">20 %, 40 %</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">30 %, 60 %</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       <?xmltex \interline{[1.422638pt]}?></oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Eigenmode type</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Tim</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Hz)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Tim</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Hz)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Tim</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Hz)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Bern</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Hz)</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">First flapwise bending mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.6704</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.6737</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.6749</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.6771</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">First edgewise bending mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1.0958</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1.1035</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">1.1060</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">1.1113</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Second flapwise bending mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1.8992</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1.9227</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">1.9307</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">1.9472</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">First mixed flap/edge mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">3.8357</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">3.9275</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">3.9596</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">4.0262</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Second mixed flap/edge mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">4.2922</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">4.4062</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">4.4462</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">4.5295</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">First torsional mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">5.5181</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">5.5181</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">5.5181</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">5.5181</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Second torsional mode</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">9.6937</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">9.6937</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">9.6937</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">9.6937</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F10"><caption><p id="d1e13413">Third flapwise eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f10.png"/>

        </fig>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F11"><caption><p id="d1e13424">Second torsional eigenmode.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=184.942913pt}?><graphic xlink:href="https://wes.copernicus.org/articles/4/57/2019/wes-4-57-2019-f11.png"/>

        </fig>

</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <title>The eigenvalue problem</title>
      <?pagebreak page68?><p id="d1e13440">The system matrices for a rotor blade beam model are assembled in the usual
finite element manner employing the developed element matrices
<inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>e</mml:mi></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Eq. (43). In the case of free damped oscillation, the linear
homogenous differential equations of motion are given by
          <disp-formula id="Ch1.E47" content-type="numbered"><mml:math id="M214" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the system mass matrix,
<inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the system stiffness matrix,
<inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the system damping matrix and
<inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the nodal displacement vector. The
system matrices are symmetric and positively definite for finite element
structures. For a free undamped system, the equation of motion is reduced to
          <disp-formula id="Ch1.E48" content-type="numbered"><mml:math id="M219" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        By introducing the following solution approach which is given by
          <disp-formula id="Ch1.E49" content-type="numbered"><mml:math id="M220" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">¨</mml:mo></mml:mover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>t</mml:mi></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        into the equation of motion (Eq. 47) the following eigenvalue problem is obtained:
          <disp-formula id="Ch1.E50" content-type="numbered"><mml:math id="M221" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a unity matrix. The condition for
non-trivial solution for Eq. (49) is given by
          <disp-formula id="Ch1.E51" content-type="numbered"><mml:math id="M223" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">det</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        The <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>-grade characteristic polynomial <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
has <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> real solutions <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(eigenfrequencies) and <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> associated eigenvectors <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
calculated from Eq. (49). For real-life tasks the solution is usually acquired by
use of eigensolver software.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <title>Numerical example</title>
      <p id="d1e13932">The programming code for the procedure and the graphic plots described/shown
below was written in MuPAD, a symbolic math toolbox in
MATLAB<sup>®</sup> (see Kusuma Chandrashekhara, 2018).
The code was verified using realistic data for a wind turbine rotor blade.
The blade structural data belong to a 5 MW reference wind turbine designed
for offshore development (Jonkman et al., 2009). The blade is 63 m in length
and is divided into 48 beam elements. The blade structural data consist of
distributed mass (<inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), blade extensional stiffness (<inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), flapwise
stiffness (<inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), edgewise stiffness (<inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), torsional stiffness
(<inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), flapwise mass moment of inertia <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and edgewise mass moment of inertia <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Due
to the lack of shear stiffness data in Jonkman et al. (2009), the values of
(<inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and (<inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) (used for the calculations in Table 1) – the
respective edgewise and flapwise shear stiffness – are estimated to be
10 % and 20 % of extensional stiffness (<inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), respectively. The
values of the above-mentioned stiffness and mass moment of inertias are
specified at spanwise locations along the blade pitch axis and about the
principal axes of each cross section as oriented by a twist angle (<inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:math></inline-formula>)
defined in the input data. The twist angle is incorporated using the
rotational transformation of each local element stiffness and mass matrices
into the global coordinate system. The results of first three
(flapwise and edgewise) eigenfrequencies calculated using the Timoshenko beam
model (see Kusuma Chandrashekhara, 2018), are compared with the proposed
results from FAST and ADAMS in Jonkman et al. (2009). The results are as
shown in Table 1.</p>
      <p id="d1e14081">The mode shapes and the corresponding eigenfrequencies for the first flapwise
and edgewise eigenmodes as well for two torsional eigenmodes are as shown in
Figs. 5–11.</p>
      <p id="d1e14084">In Table 2 the calculated natural frequencies for three different variants of
the shear correction coefficients are shown, approximated as
<inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> ratios. The comparison with the
frequencies calculated using the Bernoulli beam model outlines the tendency
toward a stiffer structure due to the presupposed infinite shear stiffness in
this case. Natural frequencies <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Bern</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
0.5 %–1.0 % higher on average than <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Tim</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> – in
the (30 %, 60 %) case. The natural
frequencies remain unchanged for both beam models for the purely torsional
modes only. The reason for this is that the equations for torsion and bending
are uncoupled (for the case of the principal axes, see Eq. 14) and remain the
same in both models.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusion and outlook</title>
      <p id="d1e14161">The proposed Timoshenko beam element in the 3-D description has been developed on
the basis of the transfer matrix method. Both static and kinetic field
matrices for the beam element are derived by applying a
Runge–Kutta fourth-order numerical integration procedure on the
differential equations of motion in a special way. Appropriate shape functions for the
Timoshenko beam have been used to approximate the inertia forces in the
motion differential equation. The beam element stiffness and mass matrices
are assembled by matrix operations from the derived element field matrices.
The usual finite element equations of motion for the rotor blade model are
cast in the general case accounting for the structural twist angle and
possible pre-bending. Therefore, in the general case the rotor blade beam model
represents a polygonal approximated space curve.</p>
      <p id="d1e14164">For the sake of verification, the natural frequencies and associated
eigenmodes are calculated using real-life rotor blade data with the incorporation
of realistic twist angle data. The first two edgewise and flapwise
eigenfrequencies obtained are compared with the proposed results from FAST
and ADAMS software given in Jonkman et al. (2009). It can be observed that
the deviation of the results of the Timoshenko beam model from FAST is
comparatively lower and is in good agreement with FAST; thus, it can be
stated that the approach presented regarding alternative finite element formulation
works well.</p>
      <p id="d1e14167">One key input parameter for the Timoshenko beam model is the shear stiffness.
As it was not the main goal of the present work to determine an
appropriate shear correction coefficient for realistic rotor blade data, the
numerical example was performed with a very rough approximation for <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
and <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This was done in order to simply demonstrate the performance
and the differences to the Bernoulli beam model. However, if detailed data for the
complex multilayer design of a rotor blade were available, a more realistic
estimation of the shear stiffness could be expected. A workable method for
the determination of the shear correction coefficient of a real-life rotor blade
represents an important topic for further research.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="dataavailability">

      <p id="d1e14206">Data used in this work as
rotor blade structural data for the numerical example are publicly available
at <uri>https://www.nrel.gov/docs/fy09osti/38060.pdf</uri> (last access:
25 January 2019; Jonkman et al., 2009). The
MATLAB<sup>®</sup> program code written to calculate
the rotor blade is available upon request.</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution">

      <p id="d1e14218">ES led the underlying master thesis (Kusuma Chandrashekhara, 2018) and
developed the overall<?pagebreak page69?> method theoretically by the use of the sources
referenced. SKC developed and wrote the code for the Timoshenko shape
functions used in the inertia term. He composed the
MATLAB<sup>®</sup> code using different existent code
parts and optimized many of the procedures. SKC also performed the
calculation and the graphic plots of the numerical example.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests">

      <p id="d1e14227">The authors declare that they have no conflict of
interest.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?> Edited by: Lars Pilgaard
Mikkelsen<?xmltex \hack{\newline}?> Reviewed by: two anonymous referees</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Andersen, L. and Nielsen, S. R.: Elastic Beams in Three Dimensions,
Department of Civil Engineering, Aalborg University, Aalborg, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Bazoune, A. and Khulief, Y.: Shape Functions of Three-Dimensional Timoshenko
Beam Element, J. Sound Vib., 12, 473–480, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
Graf, W. and Vassilev, T.: Einführung in computerorientierte Methoden der
Baustatik, Verlag Ernst&amp;Sohn, Berlin, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G.: Definition of a 5-MW
Reference Wind Turbine for Offshore System Development, Technical Report
NREL/TP-500-38060, National Renewable Energy Laboratory, Colorado, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Jureczko, M., Pawlak, M., and Mezyk, A.: Optimisation of wind turbine blades,
J. Mater. Process. Tech., 463–471, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Kaya, M. O.: Free vibration analysis of a rotating Timoshenko beam by
differential transform method, Aircr. Eng. Aerosp. Tec., 78, 194–203, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Kusuma Chandrashekhara, S.: Calculation of natural vibrations of wind turbine
rotor blades using Timoshenko beam elements in the frame of MATLAB, Master
Thesis, Chair of Wind Energy Technology, University of Rostock, Rostock,
2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Li, N.: Berechnung der 3D-Eigenschwingungen des Rotorblatts einer WEA durch
FE-Balkenmodelle mit Hilfe von MATLAB, Masterarbeit, Stiftungslehrstuhl
für Windenergietechnik, Universität Rostock, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Manwell, J., McGowan, J., and Rogers, A.: Wind Energy Explained, Theory,
Design and Application, Wiley, West Sussex, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>Müller, H. and Wolf, C.: Stabtragwerke (STATRA) Berechnung des
Schnittkraft- und Verschiebungszustandes ebener Stabtragwerke nach Theorie I.
und II. Ordnung sowie Stabilitätsuntersuchung, Baustein 1 des
Programmsystems STATRA, Grundlagen, Bauakademie der DDR, Verlag
Bauinformation, Berlin, 1975.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
Müller, K.: Untersuchungen zur Abschätzung von
3D-Schiffskörpereigenschwingungen durch Einsatz effizienter
FE-Balkenmodelle mit Hilfe von MATLAB, Diplomarbeit, Lehrstuhl für
Schiffstechnische Konstruktionen, Universität Rostock, Rostock, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Schenk, S.: Entwicklung eines MATLAB-Programmtools zur effizienten Berechnung
von Schiffskörpereigenschwingungen durch ein FE-Balkenmodell,
Masterarbeit, Lehrstuhl für Schiffstechnische Konstruktionen,
Universität Rostock, Rostock, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Stanoev, E.: Eine alternative FE-Formulierung der kinetischen Effekte beim
räumlich belasteten Stab, Rostocker Berichte aus dem Institut für
Bauingenieurwesen, Heft 17, Universität Rostock, Institut für
Bauingenieurwesen, Rostock, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Stanoev, E.: Vorlesungsskript: Berechnung dünnwandiger Stabsysteme,
Lehrstuhl für Schiffstechnische Konstruktionen, Universität Rostock,
Rostock, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Wu, J.-S.: Analytical and Numerical Methods for Vibration Analyses, Wiley,
Singapore, 2013.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Determination of natural frequencies and mode shapes of a wind turbine rotor blade using Timoshenko beam elements</article-title-html>
<abstract-html><p>When simulating a wind turbine, the lowest eigenmodes of the rotor blades are
usually used to describe their elastic deformation in the frame of a
multi-body system. In this paper, a finite element beam model for the rotor
blades is proposed which is based on the transfer matrix method. Both static
and kinetic field matrices for the 3-D Timoshenko beam element are derived by
the numerical integration of the differential equations of motion using a
Runge–Kutta fourth-order procedure. In the general case, the beam reference
axis is at an arbitrary location in the cross section. The inertia term in
the motion differential equation is expressed using appropriate shape
functions for the Timoshenko beam. The kinetic field matrix is built by
numerical integration applied on the approximated inertia term. The beam
element stiffness and mass matrices are calculated by simple matrix
operations from both field matrices. The system stiffness and mass matrices
of the rotor blade model are assembled in the usual finite element manner in
a global coordinate system accounting for the structural twist angle and
possible pre-bending. The program developed for the above-mentioned
calculations and the final solution of the eigenvalue problem is accomplished
using MuPAD, a symbolic math toolbox in
MATLAB<span style="position:relative; bottom:0.5em; " class="text">®</span>. The natural frequencies calculated
using generic rotor blade data are compared with the results proposed from
the FAST and ADAMS software.</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Andersen, L. and Nielsen, S. R.: Elastic Beams in Three Dimensions,
Department of Civil Engineering, Aalborg University, Aalborg, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Bazoune, A. and Khulief, Y.: Shape Functions of Three-Dimensional Timoshenko
Beam Element, J. Sound Vib., 12, 473–480, 2003.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
Graf, W. and Vassilev, T.: Einführung in computerorientierte Methoden der
Baustatik, Verlag Ernst&amp;Sohn, Berlin, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G.: Definition of a 5-MW
Reference Wind Turbine for Offshore System Development, Technical Report
NREL/TP-500-38060, National Renewable Energy Laboratory, Colorado, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Jureczko, M., Pawlak, M., and Mezyk, A.: Optimisation of wind turbine blades,
J. Mater. Process. Tech., 463–471, 2005.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Kaya, M. O.: Free vibration analysis of a rotating Timoshenko beam by
differential transform method, Aircr. Eng. Aerosp. Tec., 78, 194–203, 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Kusuma Chandrashekhara, S.: Calculation of natural vibrations of wind turbine
rotor blades using Timoshenko beam elements in the frame of MATLAB, Master
Thesis, Chair of Wind Energy Technology, University of Rostock, Rostock,
2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Li, N.: Berechnung der 3D-Eigenschwingungen des Rotorblatts einer WEA durch
FE-Balkenmodelle mit Hilfe von MATLAB, Masterarbeit, Stiftungslehrstuhl
für Windenergietechnik, Universität Rostock, 2016.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Manwell, J., McGowan, J., and Rogers, A.: Wind Energy Explained, Theory,
Design and Application, Wiley, West Sussex, 2009.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
Müller, H. and Wolf, C.: Stabtragwerke (STATRA) Berechnung des
Schnittkraft- und Verschiebungszustandes ebener Stabtragwerke nach Theorie I.
und II. Ordnung sowie Stabilitätsuntersuchung, Baustein 1 des
Programmsystems STATRA, Grundlagen, Bauakademie der DDR, Verlag
Bauinformation, Berlin, 1975.

</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
Müller, K.: Untersuchungen zur Abschätzung von
3D-Schiffskörpereigenschwingungen durch Einsatz effizienter
FE-Balkenmodelle mit Hilfe von MATLAB, Diplomarbeit, Lehrstuhl für
Schiffstechnische Konstruktionen, Universität Rostock, Rostock, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Schenk, S.: Entwicklung eines MATLAB-Programmtools zur effizienten Berechnung
von Schiffskörpereigenschwingungen durch ein FE-Balkenmodell,
Masterarbeit, Lehrstuhl für Schiffstechnische Konstruktionen,
Universität Rostock, Rostock, 2012.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Stanoev, E.: Eine alternative FE-Formulierung der kinetischen Effekte beim
räumlich belasteten Stab, Rostocker Berichte aus dem Institut für
Bauingenieurwesen, Heft 17, Universität Rostock, Institut für
Bauingenieurwesen, Rostock, 2007.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Stanoev, E.: Vorlesungsskript: Berechnung dünnwandiger Stabsysteme,
Lehrstuhl für Schiffstechnische Konstruktionen, Universität Rostock,
Rostock, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Wu, J.-S.: Analytical and Numerical Methods for Vibration Analyses, Wiley,
Singapore, 2013.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
