GA-based fuzzy optimum design algorithm incorporated with the refined plastic hinge analysis method is presented in this study. In the refined plastic hinge analysis method, geometric nonlinearity is considered by using the stability functions of the beam-column members. Material nonlinearity is also considered by using the gradual stiffness degradation model, which considers the effects of residual stresses, moment redistribution through the occurence of plastic hinges, and the geometric imperfections of the members. In the genetic algorithm, the tournament selection method and the total weight of the steel frames. The requirements of load-carrying capacity, serviceability, ductility, and constructabil ity are used as the constraint conditions. In fuzzy optimization, for crisp objective function and fuzzy constraint s, the tolerance that is accepted is 5% of the constraints. Furthermore, a level-cut method is presented from 0 to 1 at a 0 .2 interval, with the use of the nonmembership function, to solve fuzzy-optimization problems. The values of conventional GA optimization and fuzzy GA optimization are compared in several examples of steel structures.
This paper summarizes the full-scale test results on the CFT column-to-flat plate connections subjected to gravity loading. CFT construction has gained wide acceptance in a relatively short time in domestic building construction practice due to its various structural and construction advantages. Constructing an underground parking floor as a flat plate system is often regarded as essential for both cost savings and rapid construction. Efficient details for CFT-column-to-flat-plate connections have not been proposed yet, however, and their development is urgently needed. Based on some strategies that maximize economical field construction, several connecting schemes were proposed and tested based on a full-scale model. The test results showed that the proposed connection details can exhibit punching shear strength and connection stiffness comparable to or greater than those of their R/C flat plate counterpart.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.2
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pp.193-203
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2014
Temperature-dependent stress analysis and heat transfer analysis of a rotating gas turbine blade made of functionally graded materials (FGMs) are presented considering turbine operating temperature and ceramic particle size. The material properties of functionally graded materials are assumed to vary continuously and smoothly across the thickness of the thin-walled blade. For obtaining system stiffness reflecting these characteristics, the one-dimensional heat transfer equation is applied along the thickness of the thin-walled blade for determining the temperature distribution. Using the results of the temperature analysis, the equations of motion of a rotating blade are derived with hybrid deformation variable modeling method along with the Rayleigh-Ritz assumed mode methods. The validity of the derived rotating blade model is evaluated by comparing its transient responses and temperature distribution with the results obtained using a commercial finite element code. The maximum tensile stress with operating speed and gradient index are obtained. Furthermore, the gradient index that minimizes blade temperature was investigated.
This article presents a comparative study of the effect of steel layouts on the seismic behavior of transition steel-concrete composite connections, both experimental and analytical investigations of concrete filled steel tube-reinforced concrete (CFST-RC) and steel reinforecd concrete-reinforced concrete (SRC-RC) structures were conducted. The steel-concrete composite connections were subjected to combined constant axial load and lateral cyclic displacements. Tests were carried out on four full-scale connections extracted from a real project engineering with different levels of axial force. The effect of steel layouts on the mechanical behavior of the transition connections was evaluated by failure modes, hysteretic behavior, backbone curves, displacement ductility, energy dissipation capacity and stiffness degradation. Test results showed that different steel layouts led to significantly different failure modes. For CFST-RC transition specimens, the circular cracks of the concrete at the RC column base was followed by steel yielding at the bottom of the CFST column. While uncoordinated deformation could be observed between SRC and RC columns in SRC-RC transition specimens, the crushing and peeling damage of unconfined concrete at the SRC column base was more serious. The existences of I-shape steel and steel tube avoided the pinching phenomenon on the hysteresis curve, which was different from the hysteresis curve of the general reinforced concrete column. The hysteresis loops were spindle-shaped, indicating excellent seismic performance for these transition composite connections. The average values of equivalent viscous damping coefficients of the four specimens are 0.123, 0.186 and 0.304 corresponding to the yielding point, peak point and ultimate point, respectively. Those values demonstrate that the transition steel-concrete composite connections have great energy dissipating capacity. Based on the experimental research, a high-fidelity ABAQUS model was established to further study the influence of concrete strength, steel grade and longitudinal reinforcement ratio on the mechanical behavior of transition composite connections.
Zhou, Cong;Chase, J. Geoffrey;Rodgers, Geoffrey W.;Xu, Chao;Tomlinson, Hamish
Smart Structures and Systems
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v.16
no.1
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pp.163-181
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2015
This research investigates the structural health monitoring of nonlinear structures after a major seismic event. It considers the identification of flag-shaped or pinched hysteresis behavior in response to structures as a more general case of a normal hysteresis curve without pinching. The method is based on the overall least squares methods and the log likelihood ratio test. In particular, the structural response is divided into different loading and unloading sub-half cycles. The overall least squares analysis is first implemented to obtain the minimum residual mean square estimates of structural parameters for each sub-half cycle with the number of segments assumed. The log likelihood ratio test is used to assess the likelihood of these nonlinear segments being true representations in the presence of noise and model error. The resulting regression coefficients for identified segmented regression models are finally used to obtain stiffness, yielding deformation and energy dissipation parameters. The performance of the method is illustrated using a single degree of freedom system and a suite of 20 earthquake records. RMS noise of 5%, 10%, 15% and 20% is added to the response data to assess the robustness of the identification routine. The proposed method is computationally efficient and accurate in identifying the damage parameters within 10% average of the known values even with 20% added noise. The method requires no user input and could thus be automated and performed in real-time for each sub-half cycle, with results available effectively immediately after an event as well as during an event, if required.
The global performance of the 5MW OC4 semisubmersible floating wind turbine in random waves was numerically simulated by using the turbine-floater-mooring fully coupled and time-domain dynamic analysis program FAST-CHARM3D. There have been many papers regarding floating offshore wind turbines but the effects of second-order wave-body interactions on their global performance have rarely been studied. The second-order wave forces are actually small compared to the first-order wave forces, but its effect cannot be ignored when the natural frequencies of a floating system are outside the wave-frequency range. In the case of semi-submersible platform, second-order difference-frequency wave-diffraction forces and moments become important since surge/sway and pitch/roll natural frequencies are lower than those of typical incident waves. The computational effort related to the full second-order diffraction calculation is typically very heavy, so in many cases, the simplified approach called Newman's approximation or first-order-wave-force-only are used. However, it needs to be justified against more complete solutions with full QTF (quadratic transfer function), which is a main subject of the present study. The numerically simulated results for the 5MW OC4 semisubmersible floating wind turbine by FAST-CHARM3D are also extensively compared with the DeepCWind model test results by Technip/NREL/UMaine. The predicted motions and mooring tensions for two white-noise input-wave spectra agree well against the measure values. In this paper, the numerical static-offset and free-decay tests are also conducted to verify the system stiffness, damping, and natural frequencies against the experimental results. They also agree well to verify that the dynamic system modeling is correct to the details. The performance of the simplified approaches instead of using the full QTF are also tested.
The Xiaolan channel super large bridge is unique in style and with greatest span in the world with a total length of 7686.57 m. The main bridge with spans arranged as 100m+220m+100m is a combined structure composed of prestressed concrete V-shape rigid frame and concrete-filled steel tubular flexible arch. First of all, the author compiles APDL command flow program by using the unit birth-death technique and establishes simulation calculation model in the whole construction process. The creep characteristics of concrete are also taken into account. The force ratio of the suspender, arch and beam is discussed. The authors conduct studies on the three-plate webs's rule of shear stress distribution, the box girder's longitudinal bending normal stress on every construction stage, meanwhile the distribution law of longitudinal bending normal stress and transverse bending normal stress of completed bridge's box girder. Results show that, as a new combined bridge, it is featured by: Girder and arch resist forces together; Moment effects of the structure are mainly presented as compressed arch and tensioned girder; The bridge type brings the girder and arch on resisting forces into full play; Great in vertical stiffness and slender in appearance.
To control the stochastic vibration of a vibration-sensitive instrument supported on a beam, the beam is designed as a sandwich structure with magneto-rheological visco-elastomer (MRVE) core. The MRVE has dynamic properties such as stiffness and damping adjustable by applied magnetic fields. To achieve better vibration control effectiveness, the optimal bounded parametric control for the MRVE sandwich beam with supported mass under stochastic and deterministic support motion excitations is proposed, and the stochastic and shock vibration suppression capability of the optimally controlled beam with multi-mode coupling is studied. The dynamic behavior of MRVE core is described by the visco-elastic Kelvin-Voigt model with a controllable parameter dependent on applied magnetic fields, and the parameter is considered as an active bounded control. The partial differential equations for horizontal and vertical coupling motions of the sandwich beam are obtained and converted into the multi-mode coupling vibration equations with the bounded nonlinear parametric control according to the Galerkin method. The vibration equations and corresponding performance index construct the optimal bounded parametric control problem. Then the dynamical programming equation for the control problem is derived based on the dynamical programming principle. The optimal bounded parametric control law is obtained by solving the programming equation with the bounded control constraint. The controlled vibration responses of the MRVE sandwich beam under stochastic and shock excitations are obtained by substituting the optimal bounded control into the vibration equations and solving them. The further remarkable vibration suppression capability of the optimal bounded control compared with the passive control and the influence of the control parameters on the stochastic vibration suppression effectiveness are illustrated with numerical results. The proposed optimal bounded parametric control strategy is applicable to smart visco-elastic composite structures under deterministic and stochastic excitations for improving vibration control effectiveness.
The characteristics of forced vibration by an external excitation force having a frequency were analyzed according to the amplitude and frequency of the excitation force. To obtain displacement, velocity, and acceleration, numerical analysis was performed to obtain the frequency response, and in particular, each FRF(Frequency Response Function) was analyzed to reveal the location of the system natural frequency and excitation frequency in the frequency domain. In the vibration model caused by external excitation, the natural frequency and distribution of the surrounding excitation mode in displacement, velocity and acceleration FRF. The FRF was also shown in the power spectrum and FRF of real and imaginary parts. The external excitation force was approximated with the excitation force of a sine wave by giving the amplitude and frequency, the mode generated by this excitation force could be distinguished. After numerical analysis by changing the equivalent mass, damping and stiffness, the forced vibration response characteristics by external excitation force were systematically analyzed.
Study Design: Biomechanical study. Purpose: To investigate the relative stiffness of a new posterior pelvic fixation for unstable vertical fractures of the sacrum. Overview of Literature: The reported operative fixation techniques for vertical sacral fractures include iliosacral screw, sacral bar fixations, transiliac plating, and local plate osteosynthesis. Clinical as well as biomechanical studies have demonstrated that these conventional techniques are insufficient to stabilize the vertically unstable sacral fractures. Methods: To simulate a vertically unstable fractured sacrum, 12 synthetic pelvic models were prepared. In each model, a 5-mm gap was created through the left transforaminal zone (Denis zone II). The pubic symphysis was completely separated and then stabilized using a 3.5-mm reconstruction plate. Four each of the unstable pelvic models were then fixed with two iliosacral screws, a tension band plate, or a transiliac fixation plus one iliosacral screw. The left hemipelvis of these specimens was docked to a rigid base plate and loaded on an S1 endplate by using the Zwick Roell z010 material testing machine. Then, the vertical displacement and coronal tilt of the right hemipelves and the applied force were measured. Results: The transiliac fixation plus one iliosacral screw constructions could withstand a force at 5 mm of vertical displacement greater than the two iliosacral screw constructions (p=0.012) and the tension band plate constructions (p=0.003). The tension band plate constructions could withstand a force at $5^{\circ}$ of coronal tilt less than the two iliosacral screw constructions (p=0.027) and the transiliac fixation plus one iliosacral screw constructions (p=0.049). Conclusions: This study proposes the use of transiliac fixation in addition to an iliosacral screw to stabilize vertically unstable sacral fractures. Our biomechanical data demonstrated the superiority of adding transiliac fixation to withstand vertical displacement forces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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