This article presents a computationally efficient framework for multi-objective seismic design optimization of steel moment-resisting frame (MRF) structures based on the nonlinear dynamic analysis procedure. This framework employs the uniform damage distribution philosophy to minimize the weight (initial cost) of the structure at different levels of damage. The preliminary framework was recently proposed by the authors based on the single excitation and the nonlinear static (pushover) analysis procedure, in which the effects of record-to-record variability as well as higher-order vibration modes were neglected. The present study investigates the reliability of the previous framework by extending the proposed algorithm using the nonlinear dynamic design procedure (optimization under multiple ground motions). Three benchmark structures, including 4-, 8-, and 12-story steel MRFs, representing the behavior of low-, mid-, and high-rise buildings, are utilized to evaluate the proposed framework. The total weight of the structure and the maximum inter-story drift ratio (IDRmax) resulting from the average response of the structure to a set of seven ground motion records are considered as two conflicting objectives for the optimization problem and are simultaneously minimized. The results of this study indicate that the optimization under several ground motions leads to almost similar outcomes in terms of optimization objectives to those are obtained from optimization under pushover analysis. However, investigation of optimal designs under a suite of 22 earthquake records reveals that the damage distribution in buildings designed by the nonlinear dynamic-based procedure is closer to the uniform distribution (desired target during the optimization process) compared to those designed according to the pushover procedure.
International conference on construction engineering and project management
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2015.10a
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pp.339-343
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2015
To rapidly recover ceased functionality of a facility after a catastrophic seismic event, critical decisions on facility repair works are made within a limited period of time. However, prolonged damage assessment of facilities, due to massive damage in the surrounding region and the complicated damage judgment procedures, may impede restoration planning. To assist reliable structural damage estimation without a deep knowledge and rapid interactive analysis among facility damage and restoration operations during the approximate restoration project planning phase, we developed a prototype of distributed facility restoration simulations through the use of high-level architecture (HLA) (IEEE 1516). The simulation prototype, in which three different simulations (including a seismic data retrieval technique, a structural response simulator, and a restoration simulation module) interact with each other, enables immediate damage estimation by promptly detecting earthquake intensity and the restoration operation analysis according to estimated damage. By conducting case simulations and experiments, research outcomes provide key insights into post-disaster restoration planning, including the extent to which facility damage varies according to disaster severity, facility location, and structures. Additional insights arise regarding the extent to which different facility damage patterns impact a project's performance, especially when facility damage is hard to estimate by observation. In particular, an understanding of required type and amount of repair activities (e.g., demolition works, structural reinforcement, frame installation, or finishing works) is expected to support project managers in approximate work scheduling or resource procurement plans.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.4
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pp.283-293
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2024
In this study, advanced unscented Kalman filter (UKF) and particle filter (PF) implementations are introduced and applied to perform system identification (SI) for sudden structural damage induced by seismic loading. These two methods are then compared to validate their applicability to SI tasks. For this validation, the Bouc- Wen model is used to simulate the nonlinear shear-building response, and an adaptive rule (i.e., an adaptive tracking method) is applied to the two filter methods to improve their tracking performance during sudden changes in system properties. When the original UKF and PF are applied to an earthquake scenario, both methods fail to estimate the damage initiation time and post-damage parameter values. After applying the adaptive tracking method, it is found for both methods that although the occurrence time is identified, the estimation of the damage state is still not accurate. To improve the accuracy, an adjusted adaptive tracking method is applied, and the two methods then derive accurate estimates. Finally, when considering the computation time, UKF is promoted as a better choice for practical applications, provided that a proper adaptive tracking method is implemented.
A semi-active mass damping (SMD) system with magnetorheological (MR) dampers focusing on low- and mid-rise buildings is proposed in this paper. The main purpose of this study is to integrate the reliable characteristics of the traditional tuned mass damper (TMD) and the superior performance of the active mass damper (AMD) to the new system. In addition, the commonly seen solution of deploying dense seismic dampers throughout the structure nowadays to protect the main structure is also expected to switch to the developed SMD system on the roof with a similar reduction performance. In order to demonstrate this concept, a full-size three-story steel building representing a typical mid-rise building was used as the benchmark structure to verify its performance in real life. A numerical model with the interpolation technique integrated was first established to accurately predict the behavior of the MR dampers. The success of the method was proven through a performance test of the designated MR damper used in this research. With the support of the MR damper model, a specific control algorithm using a continuous-optimal control concept was then developed to protect the main structure while the response of the semi-active mass damper is discarded. The theoretical analysis and the experimental verification from a shaking table test both demonstrated the superior mitigation ability of the method. The proposed SMD system has been demonstrated to be readily implemented in practice.
Natural vibration of truss cable structures is analyzed based upon the general structural analysis software ANSYS, energy variational method and Rayleigh method, the calculated results of three methods are compared, from which the characteristics of free-vibration are obtained. Moreover, vertical seismic response analysis of truss cable structures is carried out via time-history method. Introducing three natural earthquake waves calculated the results including time-history curve of vertical maximal displacement, time-history curve of maximal internal force. Variation curve of maximal displacement of node along span, and variation curve of maximal internal force of member along span are presented. The results show the formulas of frequencies for truss cable structures obtained by energy variational method are of high accuracy. Furthermore, the maximal displacement and the maximal internal force occur near the 1/5 span point. These provide convenient and simple design method for practical engineering.
In this paper, liquid sloshing effects in rectangular storage structures for spent fuel under earthquake loadings are investigated. Eulerian and Lagrangian approaches are presented. The Eulerian approach is carried out by solving the boundary value problem for the fluid motion. In the Lagrangian approach, the fluid as well as the storage structure is modelled by the finite element method. The fluid region is discretized by using fluid elements. The (1*1)-reduced integration is carried out for constructing the stiffness matrices of the fluid elements. Seismic analysis of the coupled system is carried out by the response spectra method. The numerical results show that the fluid forces on the wall obtained by two approaches are in good agreements. By including the effect of the wall flexibility, the hydrodynamic forces due to fluid motion can be increased very significantly.
Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
Kim, Yong Min;Jeong, Sang Seom;Kim, Kyoung Yul;Lee, Yong Hee
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.4C
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pp.109-116
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2011
In this study, dynamic response of a vertical shaft subjected to seismic loads was evaluated by three-dimensional Finite Element (FE) approach. The emphasis was on quantifying the ground conditions, input motions and direction of motions. A series of parametric analyses were carried out. From the results of FE analysis, more than 1.7 times increase in shear force and bending moment is obtained when the stiff layer was thinker than the soft layer. And all of the maximum values were occurred near the interface between the soil layers. The dynamic behavior of vertical shaft was significantly influenced by the different frequencies of the input motion, and normalized acceleration of surrounding soil was 3 times larger than vertical shaft.
Base isolation is a well-established passive strategy for seismic response control of buildings. In this paper, an efficient framework is proposed for reliability-based design optimization (RBDO) of isolated buildings subjected to uncertain earthquakes. The framework uses reduced function evaluations method, as an efficient tool for structural reliability analysis, and an efficient optimization algorithm for optimal structural design. The probability of failure is calculated considering excessive base displacement, superstructure inter-storey drifts, member stress ratios and absolute accelerations of floors of the isolated building as failure events. The behavior of rubber bearing isolators is modeled using nonlinear hysteretic model and the variability of future earthquakes is modeled by applying a probabilistic approach. The effects of pulse component of stochastic near-fault ground motions, fixity-factor of semi-rigid beam-to-column connections, values of isolator parameters, earthquake magnitude and epicentral distance on the performance and safety of semi-rigidly connected base-isolated steel framed buildings are studied. Suitable RBDO examples are solved to illustrate the results of investigations.
Monitoring the performance and estimating the remaining useful life of aging civil infrastructure in the United States has been identified as a major objective in the civil engineering community. Structural health monitoring has emerged as a central tool to fulfill this objective. This paper presents a review of the major structural monitoring programs that have been recently implemented in the United States, focusing on the integrity and performance assessment of large-scale structural systems. Applications where response data from a monitoring program have been used to detect and correct structural deficiencies are highlighted. These applications include (but are not limited to): i) Post-earthquake damage assessment of buildings and bridges; ii) Monitoring of cables vibration in cable-stayed bridges; iii) Evaluation of the effectiveness of technologies for retrofit and seismic protection, such as base isolation systems; and iv) Structural damage assessment of bridges after impact loads resulting from ship collisions. These and many other applications show that a structural health monitoring program is a powerful tool for structural damage and condition assessment, that can be used as part of a comprehensive decision-making process about possible actions that can be undertaken in a large-scale civil infrastructure system after potentially damaging events.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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