Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.441-449
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2015
In this paper we perform a linearized buckling analysis using the Kirchhoff plate theory and the von Karman nonlinear strain-displacement relation. Design sensitivity analysis(DSA) expressions for plane elasticity and buckling problems are derived with respect to Young's modulus and thickness. Using the design sensitivity, we can formulate the topology optimization method for minimizing the compliance and maximizing eigenvalues. We develop a topology optimization method applicable to plate buckling problems using the prestress for buckling analysis. Since the prestress is needed to assemble the stress matrix for buckling problem using the von Karman nonlinear strain, we introduced out-of-plane motion. The design variables are parameterized into normalized bulk material densities. The objective functions are the minimum compliance and the maximum eigenvalues and the constraint is the allowable volume. Through several numerical examples, the developed DSA method is verified to yield very accurate sensitivity results compared with the finite difference ones and the topology optimization yields physically meaningful results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.6
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pp.383-390
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2019
A helideck is one of the essential structures in offshore platforms for the transportation of goods and operating personnel between land and offshore sites. As such, it should be carefully designed and installed for the safety of the offshore platform. In this study, a structural design optimization method for a lightweight offshore helideck is developed based on a genetic algorithm and an attainable design set concept. A helideck consists of several types of structural members such as plates, girders, stiffeners, trusses, and support elements, and the dimensions of these members are typically pre-defined by manufacturers. Therefore, design sets are defined by collecting the standard section data for these members from the American Institute of Steel Construction (AISC), and integer section labels are assigned as design variables in the genetic algorithm. The objective is to minimize the total weight of the offshore helideck while satisfying the maximum allowable stress criterion under various loading conditions including self-weight, wind direction, landing position, and landing condition. In addition, the unity check process is also utilized for additional verification of structural safety against buckling failure of the helideck.
Jin, Seok Won;Kim, Jong Min;Park, Jong Sup;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.20
no.1
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pp.131-149
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2008
A transmission tower was designed according to general and special load cases based on KEPCO Design Specifications. The special load case such as unbalanced load a cording to some broken wires has not been considered significantly. Therefore, this paper presents investigations on the stability and safety of main post members subjected to unbalanced load and design wind load. In this study, all cases totally considered. From the finite element analyses using LUSAS program, the stresses on the tower subjected to unbalanced load and design wind load were very high in comparison to the allowable stresses of the steel post member that was used. Some of the post member had higher stresses than the yield stress of the steel member. This paper also shows an example to improve the capacity of the post members using increased cross-section members. Based on the analyses results, when investigating the safety of the transmission tower, one must consider thenew design philosophy including ultimate strength of the member and reliability of the special loading cases.
This paper is results of numerical study for application of sheet pile retaining wall reinforced with H-pile as sheet piles are needed in field for a cutoff wall and are limited to use because of driveability in the ground condition of having a larger strength than a weathered rock. Extensive 101 cases of numerical approach were conducted to investigate the behavior of sheet pile retaining wall reinforced with H-pile, changing installing members of two types of sheet pile and three types of H-pile, the embedded depth of sheet pile and H-pile, the horizontal space between H-piles and excavation conditions. As the results of numerical analysis, combined use of the sheet pile SP-IIIA with H-Pile H250 and the sheet pile SP-IV with H-Pile H350 among precast products was found to be efficient since two members tended to reach allowable stresses simultaneously or have similar stress concentration ratios. Increased stiffness in reinforced sheet pile showed reduction of lateral displacement of wall. Embedded depth of sheet pile did not affect stability of wall significantly so that driving the penetrable depth of sheet pile should be enough to maintain stability of wall and satisfy purposes of cutoff and stiffness increase of wall.
Target reliability index in the limit state design indicated the safety margin and it is important to determine the partial factor. To determine the target reliability index which is needed in the limit state design, the six design and construction case histories of gravel compaction piles (GCP) were investigated. The limit state functions were defined by bulging failure for the major failure mode of GCP. The reliability analysis were performed using the first order reliability method (FORM) and the reliability index was calculated for each ultimate bearing capacity formulation. The reliability index of GCP tended to be penportional to the safety factor of allowable stress design and average value was ${\beta}$=2.30. Reliability level that was assessed by reliability analysis and target reliability index for existing structure foundations were compared and analyzed. As a result, The GCP was required a relatively low level of safety compared with deep and shallow foundations and the currd t reliability level were similar to the target reliability in the reinforced earth retaining-wall and soil-nailing. Therefore the target reliability index of GCP suggested as ${\beta}_T$=2.33 by various literatures together with the computed reliability level in this study.
Purpose: Seismic safety evaluation of a curved bridge must be performed since the curved bridges exhibit the complex behavior rather than the straight bridges, due to geometrical characteristics. In order to conduct the probabilistic seismic assessment of the curved bridge, Seismic fragility evaluation was performed using the uncertainty of the steel material properties of a curved bridge girde, in this study. Method: The finite element (FE) model using ABAQUS platform of the curved bridge girder was constructed, and the statistical parameters of steel materials presented in previous studies were used. 100 steel material models were sampled using the Latin Hypercube Sampling method. As an input ground motion in this study, seismic fragility evaluation was performed by the normalized scale of the Gyeongju earthquake to 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g, and 1.5g. Result: As a result of the seismic fragility evaluation of the curved girder, it was found that there was no failure up to 0.03g corresponding to the limit state of allowable stress design, but the failure was started from 0.11g associated with using limit state design. Conclusion: In this study, seismic fragility evaluation was performed considering steel materials uncertainties. Further it must be considered the seismic fragility of the curved bridge using both the uncertainties of input motions and material properties.
Kim, Hyun-Seok;Kim, Hyun-Sung;Park, Byoungjae;Lee, Kangsu
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.5
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pp.263-270
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2021
In this study, a reliability-based design optimization of a 130-m class fixed-type offshore platform, to be installed in the North Sea, was carried out, while considering environmental, material, and manufacturing uncertainties to enhance its structural safety and economic aspects. For the reliability analysis, and reliability-based design optimization of the structural integrity, unity check values (defined as the ratio between working and allowable stress, for axial, bending, and shear stresses), of the members of the offshore platform were considered as constraints. Weight of the supporting jacket structure was minimized to reduce the manufacturing cost of the offshore platform. Statistical characteristics of uncertainties were defined based on observed and measured data references. Reliability analysis and reliability-based design optimization of a jacket-type offshore structure were computationally burdensome due to the large number of members; therefore, we suggested a method for variable screening, based on the importance of their output responses, to reduce the dimension of the problem. Furthermore, a deterministic design optimization was carried out prior to the reliability-based design optimization, to improve overall computational efficiency. Finally, the optimal design obtained was compared with the conventional rule-based offshore platform design in terms of safety and cost.
The stability of the gravity quay wall against earthquakes is evaluated on the basis of the allowable displacement of the wall. To estimate the displacement caused by external forces, empirical equations based on the Newmark sliding block method or numerical analysis are widely used. In numerical analysis, it is possible to analyze precisely a complicated site and structure, but difficult to set the appropriate parameters and environments; there are limitations in obtaining reliable results, depending on one's level of expertise. The Newmark method, with only seismic motions, is widely used because it is simpler than numerical simulations when estimating permanent displacement. However, the empirical equations do not have any parameters for the response characteristics and sliding block of the structure, and sliding blocks being assumed as rigid bodies does not consider the nonlinear behavior of the soil and interaction with the structure. Therefore, in order to evaluate the seismic stability of the gravity quay wall, a newly-developed empirical equation is needed to overcome the above-mentioned limitations. In this study, numerical simulations are performed to analyze the response characteristics of the backfill of the structure, and to propose an optimal method of calculating the active area. For this purpose, finite element analyses were performed to analyze the response characteristics, and stress-strain relationships for various seismic motions. As a result, the response characteristics, sliding block, and failure surface of the backfill vary depending on the input seismic motions.
Composite pile, which is composed of the steel pipe pile in which the large horizontal force acts and the PHC pile in which the small horizontal force acts by a special connecting devices, is being commercialized as a base material for civil engineering structures. The core of such a composite pile can be said to be a design criterion for estimating the joint position and stability of the connection device between steel pipe pile and PHC pile. In Korea, there is no precise specification for the location of composite pile joints. In the LH Design Department (Korea Land & Housing Corporation, 2009), "Application of composite pile design and review of design book marking" was made with reference to Road Design Practice Volume 3 (Korea Expressway Corporation, 2001). this is used as a basis of the design of the composite pile. It can not be regarded as a section change of the composite pile, so it has a limitation in application. Therefore, In this study, we propose a design criterion for the location of the section of the composite pile (joint of steel pipe pile and PHC pile) and evaluate the stability and economical efficiency of it by using experimental method and analytical method. Analysis of composite pile design data installed in 79 domestic bridges abutment showed that the stresses, bending moments, and displacements acting on the pile body and connection of the pile were analyzed. Through the redesign process, it was confirmed that the stresses generated in the connecting device occur within the allowable stress values of the connecting device and the PHC pile. In conclusion, the design proposal of composite pile joint location through empirical case study in this study is an improved design method considering both stability and economical efficiency in designing composite pile.
Song-Do international city is the area developed in large-scale land reclamation. Song-Do area consists of reclamation layer, sedimentary layer(loose silt, soft clay and sand alternating) and residual layer from the ground surface. Therefore, using pile foundation is inevitable to build structures safely. In this area, driven PHC piles have been generally constructed in terms of environmental and economic conditions. As a result of analyzing 4 sites in Song-Do district 5 and 7 recently, the method of driving pile has many problems because of existence of rigid soil in sedimentary layer and installation of more than 30m piles. In this case, when installing piles by drive after pre-boring up to appropriate depth, the results of constructability analysis were very good. And in the economic efficiency, although 4% of construction cost rose, it was a very slight increase in comparison with improvement of workability. In the case of the stability, more than 70% compared to the allowable stress of piles was satisfied through the load test. As a result, when PHC piles is installed in Song-Do district, the proper construction method is that piles are located at bearing layer after boring rigid sand layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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