The purpose of this study is to investigate the efficiency of various structural modeling schemes for evaluating seismic performances and fragility of the reactor containment building (RCB) structure in the advanced power reactor 1400 (APR1400) nuclear power plant (NPP). Four structural modeling schemes, i.e. lumped-mass stick model (LMSM), solid-based finite element model (Solid FEM), multi-layer shell model (MLSM), and beam-truss model (BTM), are developed to simulate the seismic behaviors of the containment structure. A full three-dimensional finite element model (full 3D FEM) is additionally constructed to verify the previous numerical models. A set of input ground motions with response spectra matching to the US NRC 1.60 design spectrum is generated to perform linear and nonlinear time-history analyses. Floor response spectra (FRS) and floor displacements are obtained at the different elevations of the structure since they are critical outputs for evaluating the seismic vulnerability of RCB and secondary components. The results show that the difference in seismic responses between linear and nonlinear analyses gets larger as an earthquake intensity increases. It is observed that the linear analysis underestimates floor displacements while it overestimates floor accelerations. Moreover, a systematic assessment of the capability and efficiency of each structural model is presented thoroughly. MLSM can be an alternative approach to a full 3D FEM, which is complicated in modeling and extremely time-consuming in dynamic analyses. Specifically, BTM is recommended as the optimal model for evaluating the nonlinear seismic performance of NPP structures. Thereafter, linear and nonlinear BTM are employed in a series of time-history analyses to develop fragility curves of RCB for different damage states. It is shown that the linear analysis underestimates the probability of damage of RCB at a given earthquake intensity when compared to the nonlinear analysis. The nonlinear analysis approach is highly suggested for assessing the vulnerability of NPP structures.
Targeting a floating wave and offshore wind hybrid power generation system (FWWHybrid) designed in the Republic of Korea, this study examines the impact of the interaction, with multiple wave energy converters (WECs) placed on the platform, on platform motion. To investigate how the motion of WECs affects the behavior of the FWWHybrid platform, it was numerically compared with a scenario involving a 'single-body' system, where multiple WECs are constrained to the platform. In the case of FWWHybrid, because the platform and multiple WECs move in response to waves simultaneously as a 'multi-body' system, hydrodynamic interactions between these entities come into play. Additionally, the power take-off (PTO) mechanism between the platform and individual WECs is introduced for power production. First, the hydrostatic/dynamic coefficients required for numerical analysis were calculated in the frequency domain and then used in the time domain analysis. These simulations are performed using the extended HARP/CHARM3D code developed from previous studies. By conducting regular wave simulations, the response amplitude operator (RAO) for the platform of both single-body and multi-body scenarios was derived and subsequently compared. Next, to ascertain the difference in response in the real sea environment, this study also includes an analysis of irregular waves. As the floating body maintains its position through connection to a catenary mooring line, the impact of the slowly varying wave drift load cannot be disregarded. To assess the influence of the 2nd-order wave exciting load, irregular wave simulations were conducted, dividing them into cases where it was not considered and cases where it was included. The analysis of multi-degree-of-freedom behavior confirmed that the action of multiple WECs had a substantial impact on the platform's response.
A 3-D numerical model, which could demonstrate the static and dynamic responses of a curved bridge more precisely with the moving vehicles, was developed The dynamic response induced by the centrifugal rolling motion of vehicle was identified according to the variations of the partial grade and the curvature of the slab. Dynamic characteristics of the curved bridge with the moving vehicle were analyzed under the condition of support types and two different support systems. Parametric studies were conducted to compare the efficiency of load distribution in the curved bridge. In general, while the vehicle was crossing the curved bridge, negative reaction occurred in the inside of the girder. The final result showed that the support system located outside the girder was more advantageous than other systems, and the characteristics of load distributions differed from the others in the various conditions of support systems.
The effects of past earthquakes have demonstrated the seismic vulnerability of confined masonry structures (CMSs) to earthquakes. The results of experimental analysis indicate that damage to these structures depends on lateral displacement applied to the walls. Seismic evaluation lacks an analytical approach because of the complexity of the behavior of this type of structure; an empirical approach is often used for this purpose. Seismic assessment and risk analysis of CMSs, especially in area have a large number of such buildings is difficult and could be riddled with error. The present study used analytical and numerical models to develop a simplified nonlinear displacement-based approach for seismic assessment of a CMS. The methodology is based on the concept of ESDOF and displacement demand and is compared with displacement capacity at the characteristic period of vibration according to performance level. Displacement demand was identified using the nonlinear displacement spectrum for a specified limit state. This approach is based on a macro model and nonlinear incremental dynamic analysis of a 3D prototype structure taking into account uncertainty of the mechanical properties and results in a simple, precise method for seismic assessment of a CMS. To validate the approach, a case study was considered in the form of an analytical fragility curve which was then compared with the precise method.
Damping ratio and frequency have influence on dynamic serviceability or instability such as vortex-induced vibration and displacement amplification due to earthquake and critical flutter velocity, and it is thus important to make determination of damping ratio and frequency accurate. As bridges are getting longer, small scale model test considering similitude law must be conducted to evaluate damping ratio and frequency. Analysis conditions modified by similitude law are applied to experimental test considering different scale ratios. Generally, Nyquist frequency condition based on natural frequency modified by similitude law has been used to determine sampling rate for different scale ratios, and total time length has been determined by users arbitrarily or by considering similitude law with respect to time for different scale ratios. However, Nyquist frequency condition is not suitable for multimode system with noisy signals. In addition, there is no specified criteria for determination of total time length. Those analysis conditions severely affect accuracy of damping ratio. The focus of this study is made on the determination of minimum analysis conditions for different scale ratios. Influence of signal to noise ratio is studied according to the level of noise level. Free initial value problem is proposed to resolve the condition that is difficult to know original initial value for free vibration. Ambient and free vibration tests were used to analyze the dynamic properties of a system using data collected from tests with a two degree-of-freedom section model and performed on full bridge 3D models of cable stayed bridges. The free decay is estimated with the stochastic subspace identification method that uses displacement data to measure damping ratios under noisy conditions, and the iterative least squares method that adopts low pass filtering and fourth order central differencing. Reasonable results were yielded in numerical and experimental tests.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.197-206
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2003
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of solid and hollow hemispherical shells of revolution of arbitrary wall thickness having arbitrary constraints on their boundaries. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components μ/sub Φ/, μ/sub z/, and μ/sub θ/ in the meridional, normal, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the Φ and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the hemispherical shells are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies obtained by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Novel numerical results are presented for solid and hollow hemispheres with linear thickness variation. The effect on frequencies of a small axial conical hole is also discussed. Comparisons are made for the frequencies of completely free, thick hemispherical shells with uniform thickness from the present 3-D Ritz solutions and other 3-D finite element ones.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.3
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pp.251-260
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2003
A three dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of deep, tapered rods and beams with circular cross section. Unlike conventional rod and beam theories, which are mathematically one-dimensional (1-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sup r/, u/sub θ/ and u/sub z/, in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in , and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the rods and beams are formulated, the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the rods and beams. Novel numerical results are tabulated for nine different tapered rods and beams with linear, quadratic, and cubic variations of radial thickness in the axial direction using the 3D theory. Comparisons are also made with results for linearly tapered beams from 1-D classical Euler-Bernoulli beam theory.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.4
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pp.295-306
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2010
Contrary to an intact rock, the jointed rock mass shows strain-dependent deformation characteristics (elastic modulus and damping ratio). The maximum elastic modulus of a rock mass can be obtained from an elastic wave-based exploration in a small strain level and applied to seismic analyses. However, the assessment and application of the non-linear characteristics of rock masses in a small to medium strain level ($10^{-4}{\sim}0.5%$) have not been carried out yet. A non-linear dynamic analysis module is newly developed for FLAC3D to simulate strain-dependent shear modulus degradation and damping ratio amplification characteristics. The developed module is verified by analyzing the change of the Ricker wave propagation. Strain-dependent non-linear characteristics are obtained from disks of cored samples using a rock mass dynamic testing apparatus which can evaluate wave propagation characteristics in a jointed rock column. Using the experimental results and the developed non-linear dynamic module, seismic analyses are performed for the intersection of a shaft and an inclined tunnel. The numerical results show that vertical and horizontal displacements of non-linear analyses are larger than those of linear analyses. Also, non-linear analyses induce bigger bending compressive stresses acting on the lining. The bending compressive stress concentrates at the intersection part. The fundamental understanding of a strain-dependent jointed rock mass behavior is achieved in this study and the analytical procedure suggested can be effectively applied to field designs and analyses.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.4
no.4
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pp.301-317
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2002
Recently, a geophysical exploration technology is frequently utilized in the civil engineering field as well as in the resource exploration. It might be important for civil engineers to understand the fundamental theory of seismic survey and limitation of the technique when utilizing these techniques in the civil engineering field. A 3-dimensional migration technique based on the principle of ellipsoid to predict the fractured zone ahead of tunnel face utilizing the tunnel seismic survey was proposed so that the geometry of the fractured zone can be estimated, i.e. the angle between tunnel axis and discontinuity zone, and the dip. Moreover, a numerical analysis technique to simulate the TSP (Tunnel Seismic Prediction) test was proposed in this paper. Based on parametric studies, the best element size, the analysis time step, and the dynamic characteristics of pressure source were suggested to guarantee the stability and accuracy of numerical solution. Example problems on a hypothetical site showed the possibility that the 3-dimensional migration technique proposed in this paper appropriately estimate the 3D-geometry of fractures ahead of tunnel face.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.119-129
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2004
A three dimensional (3D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, circular and annular plates with nonlinear thickness variation along the radial direction. Unlike conventional plate theories, which are mathematically two dimensional (2D), the present method is based upon the 3D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub s/, u/sub z/, and u/sub θ/ in the radial, thickness, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the s and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the plates are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the plates. Numerical results we presented for completely free, annular and circular plates with uniform linear, and quadratic variations in thickness. Comparisons are also made between results obtained from the present 3D and previously published thin plate (2D) data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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