The most important features of linear soil-foundation-structure interaction are reviewed, using stochastic modeling and considering kinematic interaction, inertial interaction, and structural distortion as three separate stages of the dynamic response to the free-field motion. The way in which each of the three dynamic stages modifies the spectral density of the motion is studied, with the emphasis being on interpretation of these results, rather than on the development of new analysis techniques. Structural distortion and inertial interaction analysis are shown to be precisely modeled as linear filtering operations. Kinematic interaction, though, is more complicated, even though it has a filter-like effect on the frequency content of the motion.
The seismic isolation system makes a structure isolated from ground motions to protect the structure from seismic events. Seismic isolation techniques have been implemented in full-scale buildings and bridges because of their simplicity, economic effectiveness, inherent stability and reliability. As for the responses of an isolated structure due to seismic events, it is well known that the most uncertain aspects are the seismic loading itself and structural properties. Due to the randomness of earthquakes and uncertainty of structures, seismic response distributions of an isolated structure are needed when evaluating the seismic fragility assessment (or probabilistic seismic safety assessment) of an isolated structure. Seismic response time histories are useful and often essential elements in its design or evaluation stage. Thus, a large number of non-linear dynamic analyses should be performed to evaluate the seismic performance of an isolated structure. However, it is a monumental task to gather the design or evaluation information of the isolated structure from too many seismic analyses, which is impractical. In this paper, a new methodology that can evaluate the seismic fragility assessment of an isolated structure is proposed by using stochastic response database, which is a device that can estimate the seismic response distributions of an isolated structure without any seismic response analyses. The seismic fragility assessment of the isolated nuclear power plant is performed using the proposed methodology. The proposed methodology is able to evaluate the seismic performance of isolated structures effectively and reduce the computational efforts tremendously.
To overcome the difficulty of performing multi-point response spectrum analysis for engineering structures under spatially varying ground motions (SVGM) using the general finite element code such as ANSYS, an approach has been developed by improving the modelling of the input ground motions in the spectral analysis. Based on the stochastic vibration analyses, the cross-power spectral density (c-PSD) matrix is adopted to model the stationary SVGM. The design response spectra are converted into the corresponding PSD model with appropriate coherency functions and apparent wave velocities. Then elements of c-PSD matrix are summarized in the row and the PSD matrix is transformed into the response spectra for a general spectral analysis. A long-span high-pier bridge under multiple support excitations is analyzed using the proposed approach considering the incoherence, wave-passage and site-response effects. The proposed approach is deemed to be an efficient numerical method that can be used for seismic analysis of large engineering structures under SVGM.
The main idea of this paper introduce stochastic structural parameters and random dynamic excitation directly into the dynamic functional variational formulations, and developed the nonlinear dynamic analysis of a stochastic variational principle and the corresponding stochastic finite element method via the weighted residual method and the small parameter perturbation technique. An interpolation method was adopted, which is based on representing the random field in terms of an interpolation rule involving a set of deterministic shape functions. Direct integration Wilson-${\theta}$ Method was adopted to solve finite element equations. Numerical examples are compared with Monte-Carlo simulation method to show that the approaches proposed herein are accurate and effective for the nonlinear dynamic analysis of structures with random parameters.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1993.04a
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pp.117-124
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1993
The Neumann Expansion method has been used for evaluating the response variability of three dimensional truss structure resulting from the spatial variability of material properties with the aid of the finite element method, and in conjunction with the direct Monte Carlo simulation methods. The spatial variabilites are modeled as three-dimensional stochastic field. Yamazaki 〔1〕 has extended the Neumann Expansion method to the plane-strain problem to obtain the response variability of 2 dimensional stochastic systems. This paper presents the extension of the Neumann Expansion method to 3 dimensional stochastic systems. The results by the NEM are compared with those by the deterministic finite element analysis and by the direct Monte Carlo simulation method
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1426-1435
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1990
Dynamic behaviour of point tracking system mounted on flying vehicle shaking in a random manner is investigated and the system dynamic is represented by nonlinear stochastic equations. 2-D.O.F. nonlinear stochastic equations are successfully transformed to linear stochastic equations via equivalent linearization procedure in stochastic sense. Newly developed hybrid technique is used to obtain response statistics of the system under non-white random excitation, which is proved to be remarkably accurate one by performing stochastic simulation.
Response variability of reinforced concrete frame subjected to material property randomness has been evaluated with the aid of the finite element method. The spatial variation of Young's modulus is assumed to be a two-dimensional homogeneous stochastic process. Young's Modulus of concrete material has been investigated based on the uiaxial strength of concrete cylinder. Direct Monte Carlo simulation method is used to investigate the response of reinforced concrete frame due to the variation of Young's modulus with the Neumann expansion method and the pertubation method. The results by three analytic methods are compared with those by deterministic finite element analysis. These stochastic technique may be an efficient tool for evaluating the structural safety and reliability of reinforced concrete structures.
Di Paola, Mario;Pirrotta, Antonina;Zingales, Massimiliano
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.4
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pp.373-386
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2008
In this study stochastic analysis of non-linear dynamical systems under ${\alpha}$-stable, multiplicative white noise has been conducted. The analysis has dealt with a special class of ${\alpha}$-stable stochastic processes namely sub-Gaussian white noises. In this setting the governing equation either of the probability density function or of the characteristic function of the dynamical response may be obtained considering the dynamical system forced by a Gaussian white noise with an uncertain factor with ${\alpha}/2$- stable distribution. This consideration yields the probability density function or the characteristic function of the response by means of a simple integral involving the probability density function of the system under Gaussian white noise and the probability density function of the ${\alpha}/2$-stable random parameter. Some numerical applications have been reported assessing the reliability of the proposed formulation. Moreover a proper way to perform digital simulation of the sub-Gaussian ${\alpha}$-stable random process preventing dynamical systems from numerical overflows has been reported and discussed in detail.
The stochastic response surface method (SRSM) and the response surface method (RSM) are often used for structural reliability analysis, especially for reliability problems with implicit performance functions. This paper aims to compare these two methods in terms of fitting the performance function, accuracy and efficiency in estimating probability of failure as well as statistical moments of system output response. The computational procedures of two response surface methods are briefly introduced first. Then their capabilities are demonstrated and compared in detail through two examples. The results indicate that the probability of failure mainly reflects the accuracy of the response surface function (RSF) fitting the performance function in the vicinity of the design point, while the statistical moments of system output response reflect the accuracy of the RSF fitting the performance function in the entire space. In addition, the performance function can be well fitted by the SRSM with an optimal order polynomial chaos expansion both in the entire physical and in the independent standard normal spaces. However, it can be only well fitted by the RSM in the vicinity of the design point. For reliability problems involving random variables with approximate normal distributions, such as normal, lognormal, and Gumbel Max distributions, both the probability of failure and statistical moments of system output response can be accurately estimated by the SRSM, whereas the RSM can only produce the probability of failure with a reasonable accuracy.
Navarra, Giacomo;Iacono, Francesco Lo;Oliva, Maria;Esposito, Antonio
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.7
no.5
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pp.405-423
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2020
Non-linear energy sink (NES) is an emerging passive absorber able to mitigate the dynamic response of structures without any external energy supply, resonating with all the modes of the primary structure to control. However, its inherent non-linearities hinder its large-scale use and leads to complicated design procedures. For this purpose, an approximate design approach is herein proposed in a stochastic framework. Since loads are random in nature, the stochastic analysis of non-linear systems may be performed by means of computational intensive techniques such as Monte Carlo simulations (MCS). Alternatively, the Stochastic Linearisation (SL) technique has proven to be an effective tool to investigate the performance of different passive control systems under random loads. Since controlled systems are generally non-classically damped and most of SL algorithms operate recursively, the computational burden required is still large for those problems that make intensive use of SL technique, as optimal design procedures. Herein, a procedure to speed up the Stochastic Linearisation technique is proposed by avoiding or strongly reducing numerical evaluations of response statistics. The ability of the proposed procedure to effectively reduce the computational effort and to reliably design the NES is showed through an application on a well-known case study related to the vibrations mitigation of an aircraft wing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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