• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.30 no.3A
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• pp.193-200
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• 2010

Structural design requires simultaneously to ensure safety by considering quantitatively uncertainties in the applied loadings, material properties and fabrication error and to maximize economical efficiency. As a solution, system reliability-based design optimization (SRBDO), which takes into consideration both uncertainties and economical efficiency, has been extensively researched and numerous attempts have been done to apply it to structural design. Contrary to conventional deterministic optimization, SRBDO involves the evaluation of component and system probabilistic constraints. However, because of the complicated algorithm for calculating component reliability indices and system reliability, excessive computational time is required when the large-scale finite element analysis is involved in evaluating the probabilistic constraints. Accordingly, an algorithm for SRBDO exhibiting improved stability and efficiency needs to be developed for the large-scale problems. In this study, a more stable and efficient SRBDO based on the performance measure approach (PMA) is developed. PMA shows good performance when it is applied to reliability-based design optimization (RBDO) which has only component probabilistic constraints. However, PMA could not be applied to SRBDO because PMA only calculates the probabilistic performance measure for limit state functions and does not evaluate the reliability indices. In order to overcome these difficulties, the decoupled algorithm is proposed where RBDO based on PMA is sequentially performed with updated target component reliability indices until the calculated system reliability index approaches the target system reliability index. Through a mathematical problem and ten-bar truss problem, the proposed method shows better convergence and efficiency than other approaches.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.35 no.2
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• pp.125-130
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• 2011

Since conventional optimization that is classified as a deterministic method does not consider the uncertainty involved in a modeling or manufacturing process, an optimum design is often determined to be on the boundaries of the feasible region of constraints. Reliability-based design optimization is a method for obtaining a solution by minimizing the objective function while satisfying the reliability constraints. This method includes an optimization process and a reliability analysis that facilitates the quantization of the uncertainties related to design variables. Moment-based reliability analysis is a method for calculating the reliability of a system on the basis of statistical moments. In general, on the basis of these statistical moments, the Pearson system estimates seven types of distributions and determines the reliability of the system. However, it is technically difficult to practically consider the Pearson Type IV distribution. In this study, we propose an enhanced Pearson Type IV distribution based on a kriging model and validate the accuracy of the enhanced Pearson Type IV distribution by comparing it with a Monte Carlo simulation. Finally, reliability-based design optimization is performed for a system with type IV distribution by using the proposed method.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.38 no.11
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• pp.1067-1074
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• 2010

In this study, RBDO(Reliability Based Design Optimization) was performed for a supersonic double-wedge inlet. By considering uncertainty of design with given design space, the pressure recovery was transformed into the probabilistic constraint while the inlet drag was considered as a deterministic objective function. To save computational analysis cost and to search good design space, Latin-Hypercube design of experiment and the Kriging model were incorporated and then RBDO was performed. Monte-Carlo simulation was performed to verify the accuracy of AFORM(Advanced First Order Reliability Method). It was found that AFORM result agreed very well with the Monte-Carlo simulation result. The system reliability was guaranteed by considering uncertainty of the design variables. In case of considering diverse uncertainty of system design, RBDO was found to be useful.

• Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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• v.22 no.4
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• pp.299-306
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• 2009

Design optimization is a method to find optimum point which minimizes the objective function while satisfying design constraints. The conventional optimization does not consider the uncertainty originated from modeling or manufacturing process, so optimum point often locates on the boundaries of constraints. Reliability based design optimization includes optimization technique and reliability analysis that calculates the reliability of the system. Reliability analysis can be classified into simulation method, fast probability integration method, and moment-based reliability method. In most generally used MPP based reliability analysis, which is one of fast probability integration method, if many MPP points exist, cost and numerical error can increase in the process of transforming constraints into standard normal distribution space. In this paper, multiplicative decomposition method is used as a reliability analysis for RBDO, and sensitivity analysis is performed to apply gradient based optimization algorithm. To illustrate whole process of RBDO mathematical and engineering examples are illustrated.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.35 no.2
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• pp.163-168
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• 2011

Robust optimization or reliability-based design optimization are some of the methodologies that are employed to take into account the uncertainties of a system at the design stage. For applying such methodologies to solve industrial problems, accurate and efficient methods for estimating statistical moments and failure probability are required, and further, the results of sensitivity analysis, which is needed for searching direction during the optimization process, should also be accurate. The aim of this study is to employ the function approximation moment method into the sensitivity analysis formulation, which is expressed as an integral form, to verify the accuracy of the sensitivity results, and to solve a typical problem of reliability-based design optimization. These results are compared with those of other moment methods, and the feasibility of the function approximation moment method is verified. The sensitivity analysis formula with integral form is the efficient formulation for evaluating sensitivity because any additional function calculation is not needed provided the failure probability or statistical moments are calculated.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.961-965
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• 2004

본 연구에서는 상수관망의 신뢰도 기반 최적화설계에서 시스템 구성물의 기계적 고장의 영향뿐만이 아니라 관로의 수리학적 능력과 절점수요에서의 불확실성이 결합되어 인식할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 수질과 연관된 신뢰도 문제는 고려하지 않았고 단지 수량의 항으로 수요자들의 요구량을 충족시키기 위해 급수관망의 공급능력을 고려하였다. 수량의 관점에서 관망의 신뢰도의 측정은 절점 수요량들이 항상 만족되어진다고 가정한 상태에서 불충분한 수두의 정도를 이용한다. 따라서 절점신뢰도는 공급되는 절점수두가 미리 규정된 최소수두를 상외하거나 충족시키는 확률로 정의되어진다. 이 모형에 의해 설계된 상수관망은 정상관망 상태구성(구성물의 고장이 발생하지 않았을 경우)와 미리 정해진 고장 시나리오의 범위와 연관된 관망의 악화된 구성상태 모두에서 절점에서의 임의의 수요량과 임의의 수리학적 능력하에서 상수공급량의 항으로 규정된 수준의 서어비스의를 제공할 수 있다. 본 모형은 다양한 관망구성에 내해 상수관망의 신뢰도의 정도를 결정하기 위해서 Monte-Carlo 모의를 이용하였다. 실제 상수관망에 내해 본 인구모형을 이용하여 신뢰도 및 최적화 해석이 수행되었다. 해석결과 본 모형은 합리적으로 관망 전체에 대해 합리적인 범위의 신뢰도를 유지하면서 관망의 건설비용의 치적화가 수행될 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.159-159
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• 2015

상수관망시스템의 신뢰도를 정량화하기 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 대부분의 연구는 절점의 공급가능수요량, 절점의 수두, 그리고 유량과 수두를 동시에 고려한 에너지(energy)를 이용하여 신뢰도 지수를 개발하였다. 이 중, Energy를 기반으로 하는 신뢰도지수로써 Resilience index(Todini, 2000), Network Resilience index(Prasad, 2004), Modified Resilience index(Jayaram, 2008)와 Entropy Resilience index(Raad, 2010) 등의 연구가 대표적이다. 상수관망시스템에 정상적인 상황을 넘어서는 부담이 가해졌을 때, 이를 완충하거나, 정상적인 용수공급 상황으로 빠르게 회복하는 능력인 복원력(Resilience)을 판단하기 위한 지표로써 제시된 Todini의 Resilience index를 기점으로, 상수관망의 신뢰도(Reliability)을 Energy 측면에서 판단할 수 있는 관련 지표에 대한 연구가 진행되어왔다. 특히, 상수관망의 최적설계 시, 상수관망의 기능적 요소로써 관련 지표들을 비용(Cost)과 함께 다중목적함수로 고려하는 연구까지 다수 진행되고 있으나, 이러한 지표들이 상수관망에서 핵심적인 몇 가지 요소들의 변화에 대하여 어떻게 반응하는지에 대한 분석은 제대로 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 동일한 상수관망시스템에서 용수의 흐름상황을 크게 좌우할 수 있을 것으로 판단되는 몇 가지 변동상황을 고려하여 이러한 지표들이 각각의 변동상황에 어느정도 민감하게 반영하는지 분석하였다. 여기서, 상수관망시스템의 중요 변화요소로써 1) 수요량의 변화, 2) Loop 개수의 변화, 3) 수원지(Source) 개수의 변화, 4) 해당시스템의 최소 요구수압 변화 등을 고려하였다. 본 연구를 통해, 상수관망시스템의 신뢰도 산정에 활용되고 있는 기존의 지수들이 다양한 변동 상황을 얼마나 잘 반영할 수 있는지를 파악하고, 기존의 지수들을 보완한 개선된 신뢰도 지수의 개발가능성을 모색하도록 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.6-6
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• 2019

상수관망시스템은 공급원으로부터 수요처까지의 용수공급을 위해 구축된 관수로 기반의 사회기반시설물로서, 주로 생활 및 산업 용수를 공급하므로 대규모 사회 경제적 피해를 방지하기 위해서는 안정적인 용수공급 능력이 요구된다. 네트워크의 다양한 특성에 의해 표현되는 상수관망시스템의 신뢰도(reliability)는 크게 시스템 내 구성요소의 안정성(mechanical reliability)과 용수공급의 기능적 안정성(hydraulic reliability)으로 구분할 수 있다. 특히, 시스템의 용수공급 안정성에 주목한 수리학적 신뢰도 연구는 많은 연구자들에 의해 지속적으로 수행된 바 있으며, 다양한 평가방법 및 지표들이 제시되어 활용 중에 있다. 기존의 수리학적 신뢰도 지표들은 주로 수요절점(demand node)에서의 공급가능 수량 및 수압을 바탕으로 산정되었다. 그러나, 절점(node)에서의 공급 상태는 결과에 해당하며, 원인 분석을 위해서는 관로(pipe)의 배치 및 규격을 분석해야 하는 번거로움이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 연구에서는 직접 관로(pipe)의 공급 특성을 분석하여 네트워크의 신뢰도를 평가함으로써, 신뢰도 저하의 원인 분석 및 시스템 개선에 효율적으로 활용할 수 있는 신뢰도 지표를 산정하고자 하였다. 본 연구에서는 상수관로 내 수리학적 기울기가 전반적으로 균등할수록 설계 비용대비 공급 신뢰도, 즉 용수공급 효율이 개선되는 특징을 바탕으로, 네트워크 내 총 에너지 손실로부터 각 관로의 길이, 유량 등의 특성을 고려한 등가 수리경사(Equivalent hydraulic gradient)를 유도하여 모든 관로의 적정 수리경사로 제안하였다. 따라서 각 관로의 실제 수리경사를 대상으로 관로별 수리학적 균등성 지수(pipe hydraulic uniformity index)를 산정하였으며, 더 나아가 전체 시스템의 균등성 지수(system hydraulic uniformity index)를 산정하였다. 제안된 신뢰도 지표는 가상의 네트워크에서 지역 내 용수 사용량이 증가하는 등 용수공급 안정성을 저해하는 몇 가지 시나리오를 바탕으로 검증하였으며, 또한 기존 지표들의 신뢰도 평가 결과와 비교, 분석하였다. 본 연구는 향후 네트워크 최적 설계의 목적함수로 활용하거나, 네트워크의 보강계획 수립에 기여할 것으로 기대된다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.38 no.5
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• pp.575-584
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• 2014

In this study, the NREL 5 MW wind turbine tower model was optimized according to the multi-body dynamics and reliability-based design. The mathematical model was defined as a link-joint system including dynamic characteristics derived from Timoshenko's beam theory. For the optimization problem, the sensitivities to variations in the tower thicknesses and inner and outer diameters were acquired and arranged in terms of safety and efficiency according to bending stress and buckling standards. An optimal design was calculated with the advanced first-order second moment method and used to define a finite element model for validation. The finite element model was simulated by static analysis. The relationship between the multi-body dynamic and finite element method throughout the process was investigated, and the optimal model, which had high endurance despite its low mass, was determined.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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• v.38 no.11
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• pp.1257-1264
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• 2014

Efforts are presently underway for developing an optimal design methodology for GEN-IV nuclear reactors based on target failure probabilities. A typical example is the system-based code, in which the results are represented in the form of partial safety factors (PSFs). Thus, a PSF is one of the crucial elements in either component design or integrity assessment based on target failure probabilities during the operation period. In the present study, a procedure for calculating the PSF of a circumferential through-wall cracked pipe based on the elastic-plastic crack initiation criterion is established, in which the importance of each input variable is assessed. Elastic-plastic J-integrals are calculated using the GE/EPRI and reference stress methods, and the PSF values are calculated using both first- and second-order reliability methods. Moreover, the effect of statistical distributions of assessment variables on the PSF is also evaluated.