This study presents the efficiency of simulating structural systems using a method that combines a simplified component model (SCM) and rigorous component model (RCM). To achieve a realistic simulation of structural systems, a numerical model must be adequately capturing the detailed behaviors of real systems at various scales. However, capturing all details represented within an entire structural system by very fine meshes is practically impossible due to technological limitations on computational engineering. Therefore, this research develops an approach to simulate large-scale structural systems that combines a simplified global model with multiple detailed component models adjusted to various scales. Each correlated multi-scale simulation model is linked to others using a multi-level hierarchical modeling simulation method. Simulations are performed using nonlinear finite element analysis. The proposed method is applied in an analysis of a simple reinforced concrete structure and the Reuipu Elementary School (an existing structure), with analysis results then compared to actual onsite observations. The proposed method obtained results very close to onsite observations, indicating the efficiency of the proposed model in simulating structural system behavior.
This paper addresses two main issues relevant to the structural assessment of buildings subjected to explosions. The first issue regards the robustness evaluation of steel frame structures: a procedure is provided for computing "robustness curves" and it is applied to a 20-storey steel frame building, describing the residual strength of the (blast) damaged structure under different local damage levels. The second issue regards the precise evaluation of blast pressures acting on structural elements using Computational Fluid Dynamic (CFD) techniques. This last aspect is treated with particular reference to gas explosions, focusing on some critical parameters (room congestion, failure of non-structural walls and ignition point location) which influence the development of the explosion. From the analyses, it can be deduced that, at least for the examined cases, the obtained robustness curves provide a suitable tool that can be used for risk management and assessment purposes. Moreover, the variation of relevant CFD analysis outcomes (e.g., pressure) due to the variation of the analysis parameters is found to be significant.
A three-dimensional formulation is proposed to analyze the lateral loading distribution of external actions in high-rise buildings. The method is extended to encompass any combination of bracings, including bracings with open thin-walled cross-sections, which are analyzed in the framework of Timoshenko-Vlasov's theory of sectorial areas. More in detail, the proposed unified approach is a tool for the preliminary stages of structural design. It considers infinitely rigid floors in their own planes, and allows to better understand stress and strain distributions in the different bearing elements if compared to a finite element analysis. Numerical examples, describing the structural response of tall buildings characterized by bracings with different cross-section and height, show the effectiveness and flexibility of the proposed method. The accuracy of the results is investigated by a comparison with finite element solutions, in which the bracings are modelled as three-dimensional structures by means of shell elements.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.868-880
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2020
One of the main concerns in the structural integrity of offshore pipelines is mechanical damage from external loads. Pipelines are exposed to fatigue failure in welded joints due to geometric discontinuity. In addition, fatigue loads such as currents, waves, and platform motions may cause significant plastic deformation and fracture or leakage within a relatively low-cycle regime. The 2007 ASME Div. 2 Code adopts the master S―N curve for the fatigue evaluation of welded joints based on the mesh-insensitive structural stress. An extension to the master S―N curve was introduced to evaluate the low-cycle fatigue strength. This structural strain method uses the tensile properties of the material. However, the monotonic tensile properties have limitations in describing the material behavior above the elastic range because most engineering materials exhibit hardening or softening behavior under cyclic loads. The goal of this study is to extend the cyclic stress-strain behavior to the structural strain method. To this end, structural strain-based procedure was established while considering the cyclic stress-strain behavior and compared to the structural strain method with monotonic tensile properties. Finally, the improved prediction method was validated using fatigue test data from full-scale girth-welded pipes.
Because of the inevitable uncertainties such as structural parameters, external excitations and measurement noises, the effects of uncertainties should be taken into consideration in structural damage detection. In this paper, two probabilistic structural damage detection approaches are proposed to account for the underlying uncertainties in structural parameters and external excitation. The first approach adopts the statistical moment-based structural damage detection (SMBDD) algorithm together with the sensitivity analysis of the damage vector to the uncertain parameters. The approach takes the advantage of the strength SMBDD, so it is robust to measurement noise. However, it requests the number of measured responses is not less than that of unknown structural parameters. To reduce the number of measurements requested by the SMBDD algorithm, another probabilistic structural damage detection approach is proposed. It is based on the integration of structural damage detection using temporal moments in each time segment of measured response time history with the sensitivity analysis of the damage vector to the uncertain parameters. In both approaches, probability distribution of damage vector is estimated from those of uncertain parameters based on stochastic finite element model updating and probabilistic propagation. By comparing the two probability distribution characteristics for the undamaged and damaged models, probability of damage existence and damage extent at structural element level can be detected. Some numerical examples are used to demonstrate the performances of the two proposed approaches, respectively.
Currently most of the vision-based structural identification research focus either on structural input (vehicle location) estimation or on structural output (structural displacement and strain responses) estimation. The structural condition assessment at global level just with the vision-based structural output cannot give a normalized response irrespective of the type and/or load configurations of the vehicles. Combining the vision-based structural input and the structural output from non-contact sensors overcomes the disadvantage given above, while reducing cost, time, labor force including cable wiring work. In conventional traffic monitoring, sometimes traffic closure is essential for bridge structures, which may cause other severe problems such as traffic jams and accidents. In this study, a completely non-contact structural identification system is proposed, and the system mainly targets the identification of bridge unit influence line (UIL) under operational traffic. Both the structural input (vehicle location information) and output (displacement responses) are obtained by only using cameras and computer vision techniques. Multiple cameras are synchronized by audio signal pattern recognition. The proposed system is verified with a laboratory experiment on a scaled bridge model under a small moving truck load and a field application on a footbridge on campus under a moving golf cart load. The UILs are successfully identified in both bridge cases. The pedestrian loads are also estimated with the extracted UIL and the predicted weights of pedestrians are observed to be in acceptable ranges.
de Souza Bastos, Leonardo;Guerrero, Carolina Andrea Sanchez;Barile, Alan;da Silva, Jose Guilherme Santos
Coupled systems mechanics
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v.8
no.2
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pp.169-184
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2019
This research work presents a study that aims to assess the dynamic structural behaviour and also investigate the human comfort levels of a reinforced concrete building, when subjected to nondeterministic wind dynamic loadings, considering the effect of masonry infills on the global stiffness of the structural model. In general, the masonry fills most of the empty areas within the structural frames of the buildings. Although these masonry infills present structural stiffness, the common practice of engineers is to adopt them as static loads, disregarding the effect of the masonry infills on the global stiffness of the structural system. This way, in this study a numerical model based on sixteen-storey reinforced concrete building with 48 m high and dimensions of $14.20m{\times}15m$ was analysed. This way, static, modal and dynamic analyses were carried out in order to simulate the structural model based on two different strategies: no masonry infills and masonry infills simulated by shell finite elements. In this investigation, the wind action is considered as a nondeterministic process with unstable properties and also random characteristics. The fluctuating parcel of the wind is decomposed into a finite number of harmonic functions proportional to the structure resonant frequency with phase angles randomly determined. The nondeterministic dynamic analysis clearly demonstrates the relevance of a more realistic numerical modelling of the masonry infills, due to the modifications on the global structural stiffness of the building. The maximum displacements and peak accelerations values were reduced when the effect of the masonry infills (structural stiffness) were considered in the dynamic analysis. Finally, it can be concluded that the human comfort evaluation of the sixteen-storey reinforced concrete building can be altered in a favourable way to design.
Water inrush may occur during seaside urban tunnel excavation. Various factors affect the water inrush, and the water inrush mechanism is complex. In this study, nine evaluation indices having potential effects on water inrush were analysed. Specifically, the geographic and geomorphic conditions, unfavourable geology, distance from the tunnel to sea, strength of the surrounding rock, groundwater level, tidal action, cyclical footage, grouting pressure, and grouting reinforced region were analysed. Furthermore, a two-step interval risk assessment method for water inrush management during seaside urban tunnel excavation was developed by a multi-index system and interval risk assessment comprised of an interval analytic hierarchy process, fuzzy comprehensive evaluation, and relative superiority analysis. The novel assessment method was applied to the Haicang Tunnel successfully. A preliminary interval risk assessment method for water inrush was performed based on engineering geological conditions. As a result, the risk level fell into a risk level IV, which represents a section with high risk. Subsequently, a secondary interval risk assessment method was performed based on engineering geological conditions and construction conditions. The risk level of water inrush is reduced to a risk level II. The results agreed with the current tunnel situation, which verified the reliability of this approach.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.6
no.1
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pp.59-68
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2001
This paper investigates the structural analysis and design of mechanical heart valve through the numerical analysis methodology. In a numerical analysis methodology application to the thickness minimization structural design of mechanical heart valve, fluid analysis is performed for the blood flow through a bileaflet mechanical heart valve. Simultaneously the kinetodynamic analysis is carried out to obtain the appropriate structural condition for the structural analysis. Thereafter the structural static analysis is also carried out to confirm the thickness minimization structural condition(minimum thickness shape of leaflet).
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1997.10a
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pp.613-616
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1997
MDO(Multidisciplinary Design Optimization) methodology is an emerging new technology to solve a complicate structural analysis and design problem with a number of design variables and constraints. In this paper MDO methodology is adopted through the use of computer aided engineering(CAE) system. And this paper treats the structural design problem of RIROB(Reactor Inspection Robot) through the application of MDO methodology. In a MDO methodology application to the structural design of RIBOS, kinetodynamic analysis is done using a simple fluiddynamic analysis model for the warter flow over the sensor support surface instead of difficult fluid dynamic analysis. Simultaneously the structural static analysis is done to obtain the optimum structural condition. The minimum thickness (0.8cm) of the RIROB housing is obtained for the safe design of RIROB. The kinetodynamic analysis of RIROB. The kinetodynamic analysis of RIROB is done using ADAMS and the static structural analysis of RIROB is done using NISA.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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