For vibration control of civil structures, especially large civil structures, one of the important issues is how to place a minimal number of actuators and sensors at their respective optimal locations to achieve the predetermined control performance. In this paper, a methodology is presented for the determination of the minimal number and optimal location of actuators and sensors for vibration control of building structures under earthquake excitation. In the proposed methodology, the number and location of the actuators are first determined in terms of the sequence of performance index increments and the predetermined control performance. A multi-scale response reconstruction method is then extended to the controlled building structure for the determination of the minimal number and optimal placement of sensors with the objective that the reconstructed structural responses can be used as feedbacks for the vibration control while the predetermined control performance can be maintained. The feasibility and accuracy of the proposed methodology are finally investigated numerically through a 20-story shear building structure under the El-Centro ground excitation and the Kobe ground excitation. The numerical results show that with the limited number of sensors and actuators at their optimal locations, the predetermined control performance of the building structure can be achieved.
Proceedings of the Korean Society for Bioinformatics Conference
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2005.09a
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pp.287-293
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2005
Predicting RNA secondary structure as accurately as possible is very important in functional analysis of RNA molecules. However, different prediction methods and related parameters including terminal GU pair of helices, minimum length of helices, and free energy systems often give different prediction results for the same RNA sequence. Then, which structure is more important than the others? i.e. which combinations of the methods and related parameters are the optimal? In order to investigate above problems, first, three prediction methods, namely, random stacking of helical regions (RS), helical regions distribution (HD), and Zuker's minimum free energy algorithm (ZMFE) were compared by taking 1139 tRNA sequences from Rfam database as the samples with different combinations of parameters. The optimal parameters are derived. Second, Zuker's dynamic programming method for prediction of RNA secondary structure was revised using the above optimal parameters and related software BJRNAFold was developed. Third, the effects of short-range interaction were studied. The results indicated that the prediction accuracy would be improved much if proper short-range factor were introduced. But the optimal short-range factor was difficult to determine. A user-adjustable parameter for short-range factor was introduced in BJRNAFold software.
An optimal design method for a spoke double-layer cable-net structure (SDLC) is proposed in this study. Simplified calculation models of the SDLC are put forward to reveal the static responses under vertical loads and wind loads. Next, based on an energy principle, the relationship among the initial prestress level, cross-sectional areas of the components, rise height, sag height, overall displacement, and relative deformation is proposed. Moreover, a calculation model of the Foshan Center SDLC is built and optimized. Given the limited loading cases, material properties of the components, and variation ranges of the rise height and sag height, the self-weight and initial prestress level of the entire structure can be obtained. Because the self-weight of the cables decreases with increasing of the rise height and sag height, while the self-weight of the inner strut increases, the total weight of the entire structure successively exhibits a sharp reduction, a gradual decrease, a slow increase, and a sharp increase during the optimization process. For the simplified model, the optimal design corresponds to the combination of rise height and sag height that results in an appropriate prestress level of the entire structure with the minimum total weight.
Optimal sensor placement (OSP) is an integral component in the design of an effective structural health monitoring (SHM) system. This paper describes the implementation of a novel collaborative-climb monkey algorithm (CMA), which combines the artificial fish swarm algorithm (AFSA) with the monkey algorithm (MA), as a strategy for the optimal placement of a predefined number of sensors. Different from the original MA, the dual-structure coding method is adopted for the representation of design variables. The collaborative-climb process that can make the full use of the monkeys' experiences to guide the movement is proposed and incorporated in the CMA to speed up the search efficiency of the algorithm. The effectiveness of the proposed algorithm is demonstrated by a numerical example with a high-rise structure. The results show that the proposed CMA algorithm can provide a robust design for sensor networks, which exhibits superior convergence characteristics when compared to the original MA using the dual-structure coding method.
Optimal design of a piezoelectric smart structure is studied for cabin noise control. A cubic shaped acoustic cavity with a flat plate which covers one side is taken as the problem. The sensor signal is returned to the actuator through a negative gain. The acoustic cavity is modeled using the modal approach which represents the pressure fields in the cavity as a sum of mode shapes of the cavity with unknown coefficients. By using orthogonality of the mode shapes of the cavity, finite element equation for the structure with the influence of the acoustic cavity is derived. The objective function is the average pressure at a certain region, so-called silent zone, in the cavity and the design variables are the locations and sizes of the piezoelectirc actuator and sensor. The optimal design is performed at several frequencies and the results show a remarkable noise reduction. To see the robustness of the optimally designed result, the configuration is used to examine the noise reduction at different frequencies. By adjusting the gain at each frequencies, it is possible to reduce the noise in comparison with the result when the actuator is not activated.
Generally, the goal of seismic retrofit design of an existing structure using energy dissipation devices is to determine the optimum design parameters of a retrofit device to satisfy a specified limit state with minimum cost. However, the presence of multiple parameters to be optimized and the computational complexity of performing non-linear analysis make it difficult to find the optimal design parameters in the realistic 3D structure. In this study, genetic algorithm-based optimal seismic retrofit methods for determining the required number, yield strength, and location of steel slit dampers are proposed to retrofit an asymmetric soft first-story structure. These methods use a multi-objective and single-objective evolutionary algorithms, each of which varies in computational complexity and incorporates nonlinear time-history analysis to determine seismic performance. Pareto-optimal solutions of the multi-objective optimization are found using a non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). It is demonstrated that the developed multi-objective optimization methods can determine the optimum number, yield strength, and location of dampers that satisfy the given limit state of a three-dimensional asymmetric soft first-story structure. It is also shown that the single-objective distribution method based on minimizing plan-wise stiffness eccentricity turns out to produce similar number of dampers in optimum locations without time consuming nonlinear dynamic analysis.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.19
no.10
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pp.45-51
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2002
To achieve the lightweight and robust design of a structure, it is requested to design a structure and its control system simultaneously, which is called as the combined optimal design. A constant-cross-sectional area cantilever beam was chosen as an example for the applying the optimum design method. An initial load and a time varying disturbance were applied at the free end of the beam. Sliding mode control was selected due to its insensitiveness to the disturbance compared with other modes. It is known that the sliding mode control is robust to the disturbance and the uncertainty only if a matching condition is met, after giving a switching hyper plane. In this study, the optimum method was used for the design of the switching hyper plane and the objective function of the optimum switching hyper plane was assumed to be the objective one of the control system. The total weight of the structure was treated as a constraint and the cross sectional areas of the beam were considered as design variables, which means a nonlinear programming problem. The sequential linear programming method was applied to solve it. As a result of the optimum design, the effect of attenuating vibrations has been improved obviously. Moreover, lightweight design of the structure became possible from the relationship of the weight of the structure and the control objective function.
This paper studies the influence of parameters of a novel SMA helical spring energy dissipation brace on the seismic resistance of a frame structure. The force-displacement relationship of the SMA springs is established mathematically based on a multilinear constitutive model of the SMA material. Four SMA helical springs are fabricated, and the force-displacement relationship curves of the SMA springs are obtained via tension tests. A numerical dynamic model of a two-floor frame with spring energy dissipation braces is constructed and evaluated via vibration table tests. Then, two spring parameters, namely, the ratio of the helical spring diameter to the wire diameter and the pre-stretch length, are selected to investigate their influences on the seismic responses of the frame structure. The simulation results demonstrate that the optimal ratio of the helical spring diameter to the wire diameter can be found to minimize the absolute acceleration and the relative displacement of the frame structure. Meanwhile, if the pre-stretch length is assigned a suitable value, excellent vibration reduction performance can be realized. Compared with the frame structure without braces, the frames with spring braces exhibit highly satisfactory seismic resistance performance under various earthquake waves. However, it is necessary to select an SMA spring with optimal parameters for realizing optimal vibration reduction performance.
In this paper, a design of an integral augmented nonlinear optimal variable structure system(INOVSS) is presented for the prescribed output control of uncertain MIMO systems under persistent disturbances. This algorithm basically concerns removing the problems of the reaching phase and combining with the nonlinear optimal control theory. By means of an integral nonlinear sliding surface, the reaching phase is completely removed. The ideal sliding dynamics of the integral nonlinear sliding surface is obtained in the form of the nonlinear state equation and is designed by using the nonlinear optimal control theory, which means the design of the integral nonlinear sliding surface and equivalent control input. The homogeneous $2{\upsilon}(\kappa)$ form is defined in order to easily select the $2{\upsilon}$ or even $(\kappa)-form$ higher order nonlinear terms in the suggested sliding surface. The corresponding nonlinear control input is designed in order to generate the sliding mode on the predetermined transformed new surface by means of diagonalization method. As a result, the whole sliding output from a given initial state to origin is completely guaranteed against persistent disturbances. The prediction/predetermination of output is enable. Moreover, the better performance by the nonlinear sliding surface than that of the linear sliding surface can be obtained. Through an illustrative example, the usefulness of the algorithm is shown.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.1
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pp.73-80
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2012
It is important to design the optimal shape in the initial process because the influences on the design and construction are large according to the shape and pattern of spatial structures. However, the existing optimal shape designs for spatial structure are performed by the designer's intuition and experiences. Therefore, this study proposes the integrated process using the topology optimization and cellular automata model. First, the initial optimal shapes are obtained by using the topology optimization, and then the spatial truss structural patterns are created through the application of cellular automata rules. Finally, the optimal shapes to satisfy the various design conditions are generated by the structural analysis and size optimization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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