Energy harvesting is an emerging technique that extracts energy from surrounding environments to power low-power devices. For example, it can potentially provide sustainable energy for wireless sensing networks (WSNs) or structural control systems in civil engineering applications. This paper presents a comprehensive study on harvesting energy from earthquake-induced structural vibrations, which is typically of low frequency, to power WSNs. A macroscale pendulum-type electromagnetic harvester (MPEH) is proposed, analyzed and experimentally validated. The presented predictive model describes output power dependence with mass, efficiency and the power spectral density of base acceleration, providing a simple tool to estimate harvested energy. A series of shaking table tests in which a single-storey steel frame model equipped with a MPEH has been carried out under earthquake excitations. Three types of energy harvesting circuits, namely, a resistor circuit, a standard energy harvesting circuit (SEHC) and a voltage-mode controlled buck-boost converter were used for comparative study. In ideal cases, i.e., resistor circuit cases, the maximum electric energy of 8.72 J was harvested with the efficiency of 35.3%. In practical cases, the maximum electric energy of 4.67 J was extracted via the buck-boost converter under the same conditions. The predictive model on output power and harvested energy has been validated by the test data.
This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
In case high strength steels are applied for press-formed automotive parts, it is very difficult to secure forming accuracy due to large springback compared to moderate strength steels. In this study, a repetitive step-wise forming analyses based on secant method was proposed as the die design method for mandrel(bending tool) for the 2-axis bending equipments. A bending die with circular mandrel was designed for the DP780 blow motor case of which diameter and thickness are 70.8mm and 2.0mm respectively. Forming tests were performed to verify the validity of established die design and the results were compared with that of conventional HGI(Hot galvanized iron steel) blow motor case. For additional improvement in forming accuracy, an elliptical mandrel was proposed and its validity was verified using forming analyses based on secant method.
This paper presents an analytical study on the strength and stiffness of various types of truss structures. The applied models are triangular-like opened truss-wall triangular model (OTT), closed truss-wall triangular model (CTT), opened solid-wall triangular model (OST), and hypercube models defined as core-filled or core-spaced cube. The models are analyzed by numerical model analysis using DEFORM 2D/3D tool with AISI 304 stainless steel. Then, the ideal solutions for stiffness and strength are defined. Finally, the relative elastic modulus of the core-spaced model is obtained as 0.0009, which is correlated with the cancellous bone for the relative density range of 0.029-0.03, and the relative elastic modulus for the core-filled model is obtained as 0.0015, which is correlated with cancellous bone for the relative density range of 0.035-0.036. For the relative compressive yield strength, the OTT reasonably agrees with the cancellous bone for the relative density of 0.042 and the relative compressive strength of 0.05. The CTT and OST are in good agreement at the relative density of 0.013 and the relative compressive yield strength of 0.002. The hypercube models can be used for the cancellous bone for stiffness, and the triangular models can be used for the cancellous bone for strength. However, none of the models can be used to replace the compact bone because it requires much higher stiffness and strength. In the near future, compact bone replacement must be further studied. In addition, previously mentioned models should be developed further.
The implementation of subsea separation and liquid boosting is becoming a common development scheme for the exploration of deep water fields. Subsea separation is an attractive and economic solution to develop deep offshore fields producing fluid without hydrate or wax. A subsea separator can avoid or simplifying costly surface platforms of floating vessels, as well as being an efficient tool to enhance hydrocarbon production. Subsea separation system should be reliable to ensure successful operation in a wide range of 3-phase flow regime. In this study, multiphase flow characteristics inside in-line type subsea separation system are investigated for the design of subsea separation system.
Splitting tensile strength (STS) is an important mechanical parameter of concrete. This study offers novel methodologies for the early prediction of this parameter. Artificial neural network (ANN), which is a leading predictive method, is synthesized with two metaheuristic algorithms, namely atom search optimization (ASO) and equilibrium optimizer (EO) to achieve an optimal tuning of the weights and biases. The models are applied to data collected from the published literature. The sensitivity of the ASO and EO to the population size is first investigated, and then, proper configurations of the ASO-NN and EO-NN are compared to the conventional ANN. Evaluating the prediction results revealed the excellent efficiency of EO in optimizing the ANN. Accuracy improvements attained by this algorithm were 13.26 and 11.41% in terms of root mean square error and mean absolute error, respectively. Moreover, it raised the correlation from 0.89958 to 0.92722. This is while the results of the conventional ANN were slightly better than ASO-NN. The EO was also a faster optimizer than ASO. Based on these findings, the combination of the ANN and EO can be an efficient non-destructive tool for predicting the STS.
Removing radioactive contaminated metal materials is a vital task during the decommissioning of nuclear power plants to reduce the cost of the post-dismantling process. The laser decontamination technique has been recognized as a key tool for a successful dismantling process as it enables a remote operation in radioactive facilities. It also minimizes exposure of workers to hazardous materials and reduces secondary waste, increasing the environmental friendless of the post-dismantling processing. In this work, we present a thorough and efficient laser decontamination approach using a single-mode continuous-wave (CW) laser. We subjected stainless steels to a surface-removal process that repetitively exposes the laser to a confined region of ~75 ㎛ at a high scanning rate of 10 m/s. We evaluate the decontamination performance by measuring the removal depth with a 3D scanning microscope and further investigate optimal removal conditions given practical parameters such as the laser power and scan properties. We successfully removed the metal surface to a depth of more than 40 ㎛ with laser power of 300 W and ten scans, showing the potential to achieve an extremely high DF more than 1000 by simply increasing the number of scans and the laser power for the decontamination of primary circuits.
Muzamal Hussain;Saima Akram;Mohamed A. Khadimallah;Madeeha Tahir;Shabir Ahmad;Mohammed Alsaigh;Abdelouahed Tounsi
Steel and Composite Structures
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제48권6호
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pp.611-623
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2023
This work considered an optimal control formulation in the sense of Caputo derivatives. The optimality of the fractional optimal control problem. The tumor immune interaction in fractional form provides an excellent tool for the description of memory and hereditary properties of inter and intra cells. So the interaction between effector-cells, tumor cells and are modeled by using the definition of Caputo fractional order derivative that provides the system with long-time memory and gives extra degree of freedom. In addiltion, existence and local stability of fixed points are investigated for discrete model. Moreover, in order to achieve more efficient computational results of fractional-order system, a discretization process is performed to obtain its discrete counterpart. Our technique likewise allows the advancement of results, such as return time to baseline that are unrealistic with current model solvers.
The fundamental period (FP) is one of the most critical parameters for the seismic design of structures. In the reinforced concrete (RC) infilled frame, the infill walls significantly affect the FP because they change the stiffness and mass of the structure. Although several formulas have been proposed for estimating the FP of the RC infilled frame, they are often associated with high bias and variance. In this study, an efficient soft computing model, namely the group method of data handling (GMDH), is proposed to predict the FP of regular RC infilled frames. For this purpose, 4026 data sets are obtained from the open literature, and the quality of the database is examined and evaluated in detail. Based on the cleaning database, several GMDH models are constructed and the best prediction model, which considers the height of the building, the span length, the opening percentage, and the infill wall stiffness as the input variables for predicting the FP of regular RC infilled frames, is chosen. The performance of the proposed GMDH model is further underscored through comparison of its FP predictions with those of existing design codes and empirical models. The accuracy of the proposed GMDH model is proven to be superior to others. Finally, explicit formulas and a graphical user-friendly interface (GUI) tool are developed to apply the GMDH model for practical use. They can provide a rapid prediction and design for the FP of regular RC infilled frames.
Ramirez-Gaytan, Alejandro;Preciado, Adolfo;Flores-Estrella, Hortencia;Santos, Juan Carlos;Alcantara, Leonardo
Earthquakes and Structures
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제22권3호
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pp.263-275
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2022
Structural collapses can occur as a result of a dynamic amplification of either, the building's seismic response or the ground shaking by local site effects; one of the reasons is a resonance effect due to the proximity of the structural elastic fundamental period TE and the soil fundamental period TS. We evaluate the vulnerability to resonance effects in Guadalajara, México, in a three-step schema: 1) we define structural systems in the building environment of western Guadalajara, in terms of their construction materials and structural components; 2) we estimate TE with different equations, to obtain a representative value in elastic conditions for each structural system; and, 3) we evaluate the resonance vulnerability by the analysis of the ratio between TE and TS. We observe that the larger the soil fundamental period, the higher the resonance vulnerability for buildings with height between 17 and 39 m. For the sites with a low TS, the most vulnerable buildings will be those with a height between 2 and 9 m. These results can be a helpful tool for disaster prevention, by avoiding the construction of buildings with certain heights and structural characteristics that would result in a dangerous proximity between TE and TS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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