The magnetic and optical properties of Ce-doped ZnO systems have been widely demonstrated, but the effects of different strains of Ce-doped ZnO systems remain unclear. To solve these problems, this study identified the effects of biaxial strain on the electronic structure, absorption spectrum, and magnetic properties of Ce-doped ZnO systems by using a generalized gradient approximation + U (GGA + U) method with plane wave pseudopotential. Under unstrained conditions, the formation energy decreased, the system became stable, and the doping process became easy with the increase in the distances between two Ce atoms. The band gap of the systems with different strains became narrower than that of undoped ZnO without strain, and the absorption spectra showed a red shift. The band gap narrowed, and the red shift became weak with the increase of compressive strain. By contrast, the band gap widened, and the red shift became significant with the increase of tensile strain. The red shift was significant when the tensile strain was 3%. The systems with -1%, 0%, and 1% strains were ferromagnetic. For the first time, the magnetic moment of the system with -1% strain was found to be the largest, and the system showed the greatest beneficial value for diluted magnetic semiconductors. The systems with -3%, -2%, 2%, and 3% strains were non-magnetic, and they had no value for diluted magnetic semiconductors. The ferromagnetism of the system with -1% strain was mainly caused by the hybrid coupling of Ce-4f, Ce-5d, and O-2p orbits. This finding was consistent with Zener's Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida theory. The results can serve as a reference for the design and preparation of new diluted magnetic semiconductors and optical functional materials.
Available records of recent earthquakes show that near-field earthquakes have different characteristics than far-field earthquakes. In general, most of these unique characteristics of near-fault records can be attributed to their forward directivity. This phenomenon causes the records of ground motion normal to the fault to entail pulses with long periods in the velocity time history. The energy of the earthquake is almost accumulated in these pulses causing large displacements and, accordingly, severe damages in the building. Damage to structures caused by past earthquakes raises the need to assess the chance of future earthquake damage. There are a variety of methods to evaluate building seismic vulnerabilities with different computational cost and accuracy. In the meantime, fragility curves, which defines the possibility of structural damage as a function of ground motion characteristics and design parameters, are more common. These curves express the percentage of probability that the structural response will exceed the allowable performance limit at different seismic intensities. This study aims to obtain the fragility curve for low- and mid-rise structures of reinforced concrete moment frames by incremental dynamic analysis (IDA). These frames were exposed to an ensemble of 18 ground motions (nine records near-faults and nine records far-faults). Finally, after the analysis, their fragility curves are obtained using the limit states provided by HAZUS-MH 2.1. The result shows the near-fault earthquakes can drastically influence the fragility curves of the 6-story building while it has a minimal impact on those of the 3-story building.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.755-767
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2020
A significant development has been made on a new fatigue damage model applicable to Gaussian wide band stress response spectra using numerical approximation methods such as data processing, time simulation, and regression analysis. So far, most of the alternative approximate models provide slightly underestimated or overestimated damage results compared with the rain-flow counting distribution. A more reliable approximate model that can minimize the damage differences between exact and approximate solutions is required for the practical design of ships and offshore structures. The present paper provides a detailed description of the development process of a new fatigue damage model. Based on the principle of the Gaussian wide band model, this study aims to develop the best approximate fatigue damage model. To obtain highly accurate damage distributions, this study deals with some prominent research findings, i.e., the moment of rain-flow range distribution MRR(n), the special bandwidth parameter μk, the empirical closed form model consisting of four probability density functions, and the correction factor QC. Sequential prerequisite data processes, such as creation of various stress spectra, extraction of stress time history, and the rain-flow counting stress process, are conducted so that these research findings provide much better results. Through comparison studies, the proposed model shows more reliable and accurate damage distributions, very close to those of the rain-flow counting solution. Several significant achievements and findings obtained from this study are suggested. Further work is needed to apply the new developed model to crack growth prediction under a random stress process in view of the engineering critical assessment of offshore structures. The present developed formulation and procedure also need to be extended to non-Gaussian wide band processes.
Park, Jong-Yong;You, Youngjun;Jeon, Myungjun;Yoon, Hyeon-Kyu
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.59
no.5
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pp.306-313
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2022
Most submarines use the cross-plane, which is convenient and inexpensive, but the number of submarines equipped with an X-plane is increasing recently. This study focuses on designing the control system of the X-plane submarine with various control methods and analyzing the effect of each controller. First, a maneuvering simulation environment for a subjected submarine is established. The dynamics and the operating range of control surfaces are considered. Second, a depth and heading control system of the submarine, which can be divided into three parts, is designed: guidance, controller, and control allocation. The guidance system generates a smooth desired depth and heading. The controller is designed using Proportional-Integral-Differential (PID), Linear Quadratic Regulator (LQR), and H-infinity (H∞) control methods. A linear control allocation method is used to distribute control moment calculated by the controller to the control surfaces. Finally, the designed control system is applied to a subjected X-plane submarine, and a depth and heading control simulations are performed. Each control method is compared and analyzed under various simulation conditions.
This paper, by applying a reliability-based framework, develops seismic vulnerability macrozonation maps for Tehran, the capital and one of the most earthquake-vulnerable city of Iran. Seismic performance assessment of 3-, 4- and 5-story steel moment resisting frames (SMRFs), designed according to ASCE/SEI 41-17 and Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings (2800 Standard), is investigated in terms of overall maximum inter-story drift ratio (MIDR) and unit repair cost ratio which is hereafter known as "damage ratio". To this end, Tehran city is first meshed into a network of 66 points to numerically locate low- to mid-rise SMRFs. Active faults around Tehran are next modeled explicitly. Two different combination of faults, based on available seismological data, are then developed to explore the impact of choosing a proper seismic scenario. In addition, soil effect is exclusively addressed. After building analytical models, reliability methods in combination with structure-specific probabilistic models are applied to predict demand and damage ratio of structures in a cost-effective paradigm. Due to capability of proposed methodology incorporating both aleatory and epistemic uncertainties explicitly, this framework which is centered on the regional demand and damage ratio estimation via structure-specific characteristics can efficiently pave the way for decision makers to find the most vulnerable area in a regional scale. This technical basis can also be adapted to any other structures which the demand and/or damage ratio prediction models are developed.
Section model test, as the most commonly used method to evaluate the aerostatic and aeroelastic performances of long-span bridges, may be carried out under different conditions of incoming wind speed, geometric scale and wind tunnel facilities, which may lead to potential Reynolds number (Re) effect, model scaling effect and wind tunnel scale effect, respectively. The Re effect and scale effect on aerostatic force coefficients and aeroelastic characteristics of streamlined bridge decks were investigated via 1:100 and 1:60 scale section model tests. The influence of auxiliary facilities was further investigated by comparative tests between a bare deck section and the deck section with auxiliary facilities. The force measurement results over a Re region from about 1×105 to 4×105 indicate that the drag coefficients of both deck sections show obvious Re effect, while the pitching moment coefficients have weak Re dependence. The lift coefficients of the smaller scale models have more significant Re effect. Comparative tests of different scale models under the same Re number indicate that the static force coefficients have obvious scale effect, which is even more prominent than the Re effect. Additionally, the scale effect induced by lower model length to wind tunnel height ratio may produce static force coefficients with smaller absolute values, which may be less conservative for structural design. The results with respect to flutter stability indicate that the aerodynamic-damping-related flutter derivatives 𝘈*2 and 𝐴*1𝐻*3 have opposite scale effect, which makes the overall scale effect on critical flutter wind speed greatly weakened. The most significant scale effect on critical flutter wind speed occurs at +3° wind angle of attack, which makes the small-scale section models give conservative predictions.
Shah, Mati Ullah;Usman, Muhammad;Kim, In-Ho;Dawood, Sania
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.5
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pp.655-669
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2022
Passive vibration control devices like tuned liquid column dampers (TLCD) not only significantly reduce buildings' vibrations but also can serve as a water storage facility. The recently introduced modified form of TLCD known as tuned liquid column ball damper (TLCBD) suppressed external vibration efficiently compared to traditional TLCD. For excellent performance, the mass ratio of TLCBD should be in the range of 5% to 7%, which does not include the mass of the ball. This additional mass of the ball increases the overall structure mass. Therefore, in this paper, an effort is made to reduce the mass of TLCBD. For this purpose, a new modified version of TLCBD known as tuned liquid column hollow ball damper (TLCHBD) is proposed. The existing mathematical modeling of TLCBD is used for this new damper by updating the numerical values of the mass and mass moment of the ball. Analytically the optimal design parameters are obtained. Numerically the TLCHBD is investigated with a single degree of freedom structure under harmonic and seismic loadings. It is found that TLCHBD performance is similar to TLCBD in both loadings' cases. To validate the numerical results, an experimental study is conducted. The mass of the ball of TLCHBD is reduced by 50% compared to the ball of TLCBD. Both the arrangements are studied with a multi-degree of freedom structure under harmonic and seismic loadings using a shake table. The results of the experimental study confirm the numerical findings. It is found that the performance behavior of both the dampers is almost similar under harmonic and seismic loadings. In short, the TLCHBD is lighter in weight than TLCBD but has a similar vibration suppression ability.
Hyeong-Joo, Kim;James Vincent, Reyes;Peter Rey, Dinoy;Tae-Woong, Park;Hyeong-Soo, Kim;Jun-Young, Kim
Geomechanics and Engineering
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v.31
no.5
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pp.505-518
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2022
This study introduces soil resistance multipliers at locations encompassed by the zone of influence of the helix plate to consider the added lateral resistance provided to the helical pile. The zone of influence of a helix plate is a function of its diameter and serves as a boundary condition for the modified soil resistance springs. The concept is based on implementing p-multipliers as a reduction factor for piles in group action. The application of modified p-y springs in the analysis of helical piles allows for better characterization and understanding of the lateral behavior of helical piles, which will help further the development of design methods. To execute the proposed method, a finite difference program, HPCap (Helical Pile Capacity), was developed by the authors using Matlab. The program computes the deflection, shear force, bending moment, and soil resistance of the helical pile and allows the user to freely input the value of the zone of influence and Ω (a coefficient that affects the value of the p-multiplier). Results from ten full-scale lateral load tests on helical piles embedded at depths of 3.0 m with varying shaft diameters, shaft thicknesses, and helix configurations were analyzed to determine the zone of influence and the magnitude of the p-multipliers. The analysis determined that the value of the p-multipliers is influenced by the ratio between the pile embedment length and the shaft diameter (Dp), the effective helix diameter (Dh-Dp), and the zone of influence. Furthermore, the zone of influence is recommended to be 1.75 times the helix diameter (Dh). Using the numerical analysis method presented in this study, the predicted deflections of the various helical pile cases showed good agreement with the observed field test results.
Rashiddel, Alireza;Hajihassani, Mohsen;Kharghani, Mehdi;Valizadeh, Hadi;Rahmannejad, Reza;Dias, Daniel
Geomechanics and Engineering
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v.29
no.4
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pp.471-486
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2022
The effect of segmental joints is one of main importance for the segmental lining design when tunnels are excavated by a mechanized process. In this paper, segmental tunnel linings are analyzed by two numerical methods, namely the Beam-Spring Method (BSM) and the Solid-Interface Method (SIM). For this purpose, the Tehran Subway Line 6 Tunnel is considered to be the reference case. Comprehensive 2D numerical simulations are performed considering the soil's calibrated plastic hardening model (PH). Also, an advanced 3D numerical model was used to obtain the stress relaxation value. The SIM numerical model is conducted to calculate the average rotational stiffness of the longitudinal joints considering the joints bending moment distribution and joints openings. Then, based on the BSM, a sensitivity analysis was performed to investigate the influence of the ground rigidity, depth to diameter ratios, slippage between the segment and ground, segment thickness, number of segments and pattern of joints. The findings indicate that when the longitudinal joints are flexible, the soil-segment interaction effect is significant. The joint rotational stiffness effect becomes remarkable with increasing the segment thickness, segment number, and tunnel depth. The pattern of longitudinal joints, in addition to the joint stiffness ratio and number of segments, also depends on the placement of longitudinal joints of the key segment in the tunnel crown (similar to patterns B and B').
Park, Jihoon;Kang, Moon Seong;Kim, Keuk Soo;Choi, Kyu Hyun;Cho, Hyo Seob
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2021.06a
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pp.397-397
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2021
본 연구의 목적은 비매개변수적 리샘플링 기법을 이용하여 농업용 저수지 유입 설계홍수량의 구간을 추정하는 기법을 제안하는 데 있다. 본 연구는 설계홍수량을 점 추정하여 안전계수(safety factor)를 적용하는 기존 방법에 대한 대안을 제시하고자 한다. 설계홍수량의 구간 추정을 수행하기 위해 부트스트랩 기법(bootstrap technique)을 사용하였다. 부트스트랩 기법을 이용하여 95% 신뢰수준에 해당하는 신뢰구간을 추정하였다. 본 연구의 공간적인 범위는 남한의 30개 농업용 저수지이며, 시간적인 범위는 과거 기간(2015s: 1986-2015)과 미래기간(2040s: 2011-2040, 2070s: 2041-2070, 2100s: 2071-2100)을 설정하였다. 본 연구에서는 200년 빈도, 24시간 지속기간을 대표적인 결과로 선정하여 분석하였다. 빈도분석은 GEV 분포를 사용하였고, L-moment 방법을 이용하여 매개변수를 추정하였다. 설계홍수량은 HEC-1 모형을 이용하여 산정하였다. 최종적으로 설계홍수량 구간 추정한 결과를 기존의 점 추정한 뒤 안전계수를 적용한 기존 방법과 비교하였다. 97.5th BCa percentile 기준으로 상대적인 변화를 비교해보면, 미래로 갈수록 구간 추정으로 산정한 설계홍수량이 점차 증가하는 것으로 도출되었다. 한강 및 금강 유역에 위치한 농업용 저수지의 설계홍수량이 낙동강 유역에 비해 상대적으로 큰 변화를 보여주었다. 몇몇 농업용 저수지에 대해서 2040s 기간에 다소 감소하기도 하였으나 2070s 기간 이후에 다시 증가하는 결과를 보여주었다. 낙동강 유역의 위치는 농업용 저수지의 설계홍수량은 미래로 갈수록 크게 증가하지 않는 경향을 보여주었다. 본 연구는 설계홍수량을 추정하는 데 있어 결정론적인 방법에서 더 나아가 자료의 통계적인 특성을 고려하여 구간 추정을 수행하는 방법론을 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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