In this study, a non-stationary random earthquake Clough-Penzien model is used to describe earthquake ground motion. Using stochastic direct integration in combination with an equivalent linear method, a solution is established to describe the non-stationary response of lead-rubber bearing (LRB) system to a stochastic earthquake. Two parameters are used to develop an optimization method for bearing design: the post-yielding stiffness and the normalized yield strength of the isolation bearing. Using the minimization of the maximum energy response level of the upper structure subjected to an earthquake as an objective function, and with the constraints that the bearing failure probability is no more than 5% and the second shape factor of the bearing is less than 5, a calculation method for the two optimal design parameters is presented. In this optimization process, the radial basis function (RBF) response surface was applied, instead of the implicit objective function and constraints, and a sequential quadratic programming (SQP) algorithm was used to solve the optimization problems. By considering the uncertainties of the structural parameters and seismic ground motion input parameters for the optimization of the bearing design, convex set models (such as the interval model and ellipsoidal model) are used to describe the uncertainty parameters. Subsequently, the optimal bearing design parameters were expanded at their median values into first-order Taylor series expansions, and then, the Lagrange multipliers method was used to determine the upper and lower boundaries of the parameters. Moreover, using a calculation example, the impacts of site soil parameters, such as input peak ground acceleration, bearing diameter and rubber shore hardness on the optimization parameters, are investigated.
This study presents an experimental and numerically study about the effects of fiber reinforcement ratio on the behavior of concrete-filled steel tubes (CFST) under dynamic impact loading. In literature have examined the behavior of GFRP and FRP wrapped strengthened CFST elements impact loads. However, since the direction of potential impact force isn't too exact, there is always the probability of not being matched the impact force of the area where the reinforced. Therefore, instead of the fiber textile wrapping method which strengthens only a particular area of CFST element, we used fiber-added concrete-filled elements which allow strengthening the whole element. Thus, the effect of fiber-addition in concrete on the behavior of CFST elements under impact loads was examined. To do so, six simply supported CFST beams were constructed with none fiber, 2% fiber and 10% fiber reinforcement ratio on the concrete part of the CFST beam. CFST beams were examined under two different impact loads (75 kg and 225 kg). The impactors hit the beam from a 2000 mm free fall during the experimental study. Numerical models of the specimens were created using ABAQUS finite element software and validated with experimental data. The obtained results such as; mid-span displacement, acceleration, failure modes and energies from experimental and numerical studies were compared and discussed. Furthermore, the Von Misses stress distribution of the CFST beams with different ratio of fiber reinforcements were investigated numerically. To sum up, there is an optimum amount limit of the fiber reinforcement on CFST beams. Up to this limit, the fiber reinforcement increases the structural performances of the beam, beyond that limit the fiber reinforcement decreases the performances of the CFST beam under transverse impact loadings.
Since weathering weakens the rock fabric and exaggerates any structural weakness, it affects mechanical properties as well as physical and chemical properties of rock. Weathering leads to a decrease in density, strength, friction angle and cohesion, and subsequently it affects negatively on the stability of rock slope. The purpose of the study is to investigate the changes of the rock slope stability caused by discontinuities which have different weathering grades. For that, the discontinuity samples which are divided into two different weathering grades are obtained from the field and tested their mechanical properties such as JCS, JRC and residual friction angle. In order to evaluate the effects on the stability of slope due to weathering, the deterministic analysis is carried out. That is, the factors of safety for planar failure are calculated for rock masses which have two different weathering grades, such as fresh and weathered rock mass. However, since the JRC and friction angle values are widely scattered and the deterministic analysis cannot consider the variation, the factors of safety cannot represent properly the stability of the rock slope. Therefore, the probabilistic analysis has been used to consider the scattered values. In the deterministic analysis, the factors of safety for the fresh discontinuity and weathered discontinuity are 1.25 and 1.0, respectively. The results indicate the fresh discontinuities are stable for planar failure and the weathered discontinuities are marginally stable. However, the probabilities of failure for the fresh discontinuity and weathered discontinuity are 25.6% and 45.9%, respectively. This shows that both discontinuities are analyzed as unstable in the probabilistic analysis.
Ham, Hee Jung;Yun, Woo-Seok;Choi, Seung Hun;Lee, Sungsu;Kim, Ho-Jeong
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.6
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pp.625-633
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2015
In this study, a coupled probabilistic framework is developed to assess wind risk on apartment buildings by using the convolution of wind hazard and fragility functions. In this framework, typhoon induced extreme wind is estimated by applying the developed Monte Carlo simulation model to the climatological data of typhoons affecting Korean peninsular from 1951 to 2013. The Monte Carlo simulation technique is also used to assess wind fragility function for 4 different damage states by comparing the probability distributions of the window system's resistance performance and wind load. Wind hazard and fragility functions are modeled by the Weibull and lognormal probability distributions based on simulated wind speeds and failure probabilities. The modeled functions are convoluted to obtain the wind risk for the different damage levels. The developed probabilistic framework clearly shows that wind risk are influenced by various important characteristics of terrain and apartment building such as location of building, exposure category, topographic condition, roof angle, height of building, etc. The risk model presented in this paper can be used as tools to predict economic loss estimation and to establish wind risk mitigation plan for the existing building inventory.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.4
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pp.718-725
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2017
A liquid storage tank is one of the most important structures in industrial complexes dealing with chemicals, and its structural damage due to an earthquake may cause a disastrous event such as the leakage of hazardous materials, fire, and explosion. It is thus essential to assess the seismic fragility of liquid storage tanks and prepare for seismic events in advance. When a liquid storage tank is oscillated by a seismic load, the hydrodynamic pressure caused by the liquid-structure interaction increases the stress and causes structural damage to the tank. Meanwhile, the seismic fragility of the structure can be estimated by considering the various sources of uncertainty and calculating the failure probabilities in a given limiting state. To accurately evaluate the seismic fragility of liquid storage tanks, a sophisticated finite element analysis is required during their reliability analysis. Therefore, in this study, FERUM-ABAQUS, a recently-developed computational platform integrated with commercial finite element and reliability analysis software packages, is introduced to perform the finite element reliability analysis and calculate the failure probability of a liquid storage tank subjected to a seismic load. FERUM-ABAUS allows for automatic data exchange between these two software packages and for the efficient seismic fragility assessment of a structure. Using this computational platform, the seismic fragility curve of a liquid storage tank is successfully obtained.
Changhee Park;Hyun-Joong Hwang;Chang-Ho Hong;Jin-Seop Kim;Gye-Chun Cho
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.6
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pp.509-523
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2023
The high-level nuclear waste (HLW) repository is exposed to complex environmental conditions consisting of high temperature, high humidity, and radiation, resulting in structural deterioration. Therefore, structural health monitoring is essential, and piezo sensors are used to detect cracks and estimate strength. However, since the monitoring sensors installed in the disposal tunnel and disposal container cannot be replaced or removed, the quantitative life of the monitoring sensor and its suitability must be assessed. In this study, the life of a piezo sensor for monitoring was assessed using an accelerated life test (ALT). The failure mode and mechanism of the piezo sensor under high temperature conditions were determined, and temperature stress's influence on the piezo sensor's life was analyzed. ALT was conducted on temperature stress and the relationship between temperature stress and piezo sensor life was suggested. The life of the piezo sensor was assessed using the Weibull probability distribution and the Arrhenius acceleration model. The suggested relationship can be used in multiple stress ALT designs for more precise life assessment.
An, Dawn;Choi, Joo-Ho;Kim, Nam H.;Pattabhiraman, Sriram
Structural Engineering and Mechanics
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v.37
no.4
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pp.427-442
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2011
In fatigue life design of mechanical components, uncertainties arising from materials and manufacturing processes should be taken into account for ensuring reliability. A common practice is to apply a safety factor in conjunction with a physics model for evaluating the lifecycle, which most likely relies on the designer's experience. Due to conservative design, predictions are often in disagreement with field observations, which makes it difficult to schedule maintenance. In this paper, the Bayesian technique, which incorporates the field failure data into prior knowledge, is used to obtain a more dependable prediction of fatigue life. The effects of prior knowledge, noise in data, and bias in measurements on the distribution of fatigue life are discussed in detail. By assuming a distribution type of fatigue life, its parameters are identified first, followed by estimating the distribution of fatigue life, which represents the degree of belief of the fatigue life conditional to the observed data. As more data are provided, the values will be updated to reduce the credible interval. The results can be used in various needs such as a risk analysis, reliability based design optimization, maintenance scheduling, or validation of reliability analysis codes. In order to obtain the posterior distribution, the Markov Chain Monte Carlo technique is employed, which is a modern statistical computational method which effectively draws the samples of the given distribution. Field data of turbine components are exploited to illustrate our approach, which counts as a regular inspection of the number of failed blades in a turbine disk.
Park, Jin-Woo;Hwang, Hoon-Hee;Kang, Sin-Oh;Cho, Kyung-Sik;Park, Woo-Jin
Journal of the Korean Society of Safety
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v.28
no.5
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pp.41-48
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2013
This paper is intended to provide the background information and justification for Korean highway bridge design code(limit state design)(2012). Limit state design method calculates reliability index and probability of failure through the analysis of the reliability of the experimental database. It has become possible to perform the economical and consistent design by evaluating the safety of a structure quantitatively. In this paper, we used the design specifications of RC slab bridge of superstructure form of Road Design Manual in Part 5 bridge built in highway bridge. This study conducted structural analysis using the method of frame structure theory, design and analysis of bridge by limit state design method, the design code including various standards and Load model applied Korean highway bridge design code limit state design(KHBDC;2012). As a result, it analyzed the effect of safety through comparison. Showing effect of improvement the safety factor and comparing the value of the result, it is determined to be capable of economical design and safety. Furthermore, limit state design method was able to determine many redundant force of cross-section compared with existing design method. It is determined that it can reduce the overall amount because of the reduction of the cross-section and girder depth.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.26
no.1
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pp.33-40
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2014
Reliability analysis of jacket type offshore wind turbine (OWT) support structure under extreme ocean environmental loads was performed. Limit state function (LSF) of OWF support structure is defined by using structural dynamic response at mud-line. Then, the dynamic response is expressed as the static response multiplied by dynamic response factor (DRF). Probabilistic distribution of DRF is found from response time history under design significant wave load. Band limited beta distribution is used for internal friction angle of ground soil. Wind load is obtained in the form of thrust force from commercial code called GH_Bladed and then, applied to tower hub as random load. In a numerical example, the response surface method (RSM) is used to express LSF of jacket type support structure for 5MW OWF. Reliability index is found using first order reliability method (FORM).
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.8
no.3
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pp.249-257
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2006
The spatial distribution of design parameters greatly affects tunnel behavior during and after construction, as well as in the long-term temporal responses. However, the tunnel design parameters commonly used in numerical modeling tend to be representative or average values of global-scale properties. Furthermore, the uncertainty and spatial variation of the design parameters increase as the tunnel scale increases. Consequently, the probability of failure also increases. In order to achieve structural stability in large-section tunnels, the design framework must take into consideration the quantitative effect of design parameter variations on tunnel behavior. Therefore, this paper suggests a statistical approach to numerical modeling to explore the effect of spatially distributed design parameters in a circular tunnel. Also, the effect of spatial variation in the lining strength is studied in this paper. The numerical results suggest that the deformation around the tunnel increases with an increase in the variation of the design parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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