Gulsan, Mehmet Eren;Cevik, Abdulkadir;Kurtoglu, Ahmet Emin
Computers and Concrete
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v.15
no.2
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pp.279-304
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2015
In this study, reliability analyses of steel fiber reinforced concrete (SFRC) corbels based on stochastic finite element were performed for the first time in literature. Prior to stochastic finite element analysis, an experimental database of 84 sfrc corbels was gathered from literature. These sfrc corbels were modeled by a special finite element program. Results of experimental studies and finite element analysis were compared and found to be very close to each other. Furthermore experimental crack patterns of corbel were compared with finite element crack patterns and were observed to be quite similar. After verification of the finite element models, stochastic finite element analyses were implemented by a specialized finite element module. As a result of stochastic finite element analysis, appropriate probability distribution functions (PDF's) were proposed. Finally, coefficient of variation, bias and strength reduction (resistance) factors were proposed for sfrc corbels as a consequence of stochastic based reliability analysis.
In this paper, linear elastic isotropic structures under the effects of both stochastic operators and stochastic excitations are studied. The analysis utilizes the spectral stochastic finite elements (SSFEM) with its two main expansions namely; Neumann and Homogeneous Chaos expansions. The random excitation and the random operator fields are assumed to be second order stochastic processes. The formulations are obtained for the system solution of the two dimensional problems of plane strain and plate bending structures under stochastic loading and relevant rigidity using the previously mentioned expansions. Two finite element programs were developed to incorporate such formulations. Two illustrative examples are introduced: the first is a reinforced concrete culvert with stochastic rigidity subjected to a stochastic load where the culvert is modeled as plane strain problem. The second example is a simply supported square reinforced concrete slab subjected to out of plane loading in which the slab flexural rigidity and the applied load are considered stochastic. In each of the two examples, the first two statistical moments of displacement are evaluated using both expansions. The probability density function of the structure response of each problem is obtained using Homogeneous Chaos expansion.
The first and second moments of response variables for SDOF systems with hysteretic nonlinearity are obtained by a direct linearization procedure. This adaptation in the implementation of well-known statistical linearization methods, provides concise, model-independent linearization coefficients that are well-suited for numerical solution. The method may be applied to systems which incorporate any hysteresis model governed by a differential constitutive equation, and may be used for zero or non-zero mean random vibration. The implementation eliminates the effort of analytically deriving specific linearization coefficients for new hysteresis models. In doing so, the procedure of stochastic analysis is made independent from the task of physical modeling of hysteretic systems. In this study, systems with three different hysteresis models are analyzed under various zero and non-zero mean Gaussian White noise inputs. Results are shown to be in agreement with previous linearization studies and Monte Carlo Simulation.
Recently, the adaptive nonlinear static analysis method has been widely used in the field of performance based earthquake engineering. However, the proposed methods are almost deterministic and cannot directly consider the seismic record uncertainties. In the current study an innovative Stochastic Adaptive Pushover Analysis, called "SAPA", based on equivalent hysteresis system responses is developed to consider the earthquake record to record uncertainties. The methodology offers a direct stochastic analysis which estimates the seismic demands of the structure in a probabilistic manner. In this procedure by using a stochastic linearization technique in each step, the equivalent hysteresis system is analyzed and the probabilistic characteristics of the result are obtained by which the lateral force pattern is extracted and the actual structure is pushed. To compare the results, three different types of analysis have been considered; conventional pushover methods, incremental dynamic analysis, IDA, and the SAPA method. The result shows an admirable accuracy in predicting the structure responses.
For foundations in permafrost regions, the displacement characteristics are uncertain because of the randomness of temperature characteristics and mechanical parameters, which make the structural system have an unexpected deviation and unpredictability. It will affect the safety of design and construction. In this paper, we consider the randomness of temperature characteristics and mechanical parameters. A stochastic analysis model for the uncertain displacement characteristic of foundations is presented, and the stochastic coupling program is compiled by Matrix Laboratory (MATLAB) software. The stochastic displacement fields of an embankment in a permafrost region are obtained and analyzed by Neumann stochastic finite element method (NSFEM). The results provide a new way to predict the deformation characteristics of foundations in permafrost regions, and it shows that the stochastic temperature has a different influence on the stochastic lateral displacement and vertical displacement. Construction disturbance and climate warming lead to three different stages for the mean settlement of characteristic points. For the stochastic settlement characteristic, the standard deviation increases with time, which imply that the results of conventional deterministic analysis may be far from the true value. These results can improve our understanding of the stochastic deformation fields of embankments and provide a theoretical basis for engineering reliability analysis and design in permafrost regions.
This paper demonstrates an application of the perturbation based stochastic finite element method (SFEM) for predicting the performance of structural systems made of composite sections with random material properties. The composite member consists of materials in contact each of which can surround a finite number of inclusions. The perturbation based stochastic finite element analysis can provide probabilistic behavior of a structure, only the first two moments of random variables need to be known, and should therefore be suitable as an alternative to Monte Carlo simulation (MCS) for realizing structural analysis. A summary of stiffness matrix formulation of composite systems and perturbation based stochastic finite element dynamic analysis formulation of structural systems made of composite sections is given. Two numerical examples are presented to illustrate the method. During stochastic analysis, displacements and sectional forces of composite systems are obtained from perturbation and Monte Carlo methods by changing elastic modulus as random variable. The results imply that perturbation based SFEM method gives close results to MCS method and it can be used instead of MCS method, especially, if computational cost is taken into consideration.
This paper presents a technique for determining the optimal number of elements in stochastic finite element analysis based on reliability analysis. Using the change-of-variable perturbation stochastic finite element approach, the probability density function of the dynamic responses of stochastic structures is explicitly determined. This method combines the perturbation stochastic finite element method with the change-of-variable technique into a united model. To further examine the relationships between the random fields, discretization of the random field parameters, such as the variance function and the scale of fluctuation, is also performed. Accordingly, the reliability index is calculated based on the explicit probability density function of responses with Gaussian or non-Gaussian random fields in any number of elements corresponding to the random field discretization. The numerical examples illustrate the effectiveness of the proposed method for a one-dimensional cantilever reinforced concrete column and a two-dimensional steel plate shear wall. The benefit of this method is that the probability density function of responses can be obtained explicitly without the use simulation techniques. Any type of random variable with any statistical distribution can be incorporated into the calculations, regardless of the restrictions imposed by the type of statistical distribution of random variables. Consequently, this method can be utilized as a suitable guideline for the efficient implementation of stochastic finite element analysis of structures, regardless of the statistical distribution of random variables.
A dynamic system under random disturbance is considered in the study. In order to control the system efficiently, proper reduction of system dimension is indispensible in design stage. The reduction method using component cost analysis in conjunction with stochastic analysis is proposed for the control of a system. System response is obtained in terms of dynamic moment equation via Fokker-Plank-Kolmogorov(F-P-K) equation. The dynamic moment response of the system under random disturbance are reduced by using of deterministic version of component cost analysis. The reduced system via proposed "stochastic component cost analysis" is successfully implemented for dynamic response and shows remarkable control performance effectively utilizing "stochastic controller" in physical time domain.
In stochastic analysis, the randomness of the structural parameters is taken into consideration and the response variability is obtained in addition to the conventional (mean) response. In the present paper the structural response variability of plate structure is calculated using the weighted integral method and is compared with the results obtained by different methods. The stochastic field is assumed to be normally distributed and to have the homogeneity. The decomposition of strain-displacement matrix enabled us to extend the formulation to the stochastic analysis with the quadratic elements in the weighted integral method. A new auto-correlation function is derived considering the uncertainty of plate thickness. The results obtained in the numerical examples by two different methods, i.e., weighted integral method and Monte Carlo simulation, are in a close agreement. In the case of the variable plate thickness, the obtained results are in good agreement with those of Lawrence and Monte Carlo simulation.
In this paper the stochastic multiple objective programming problems where the right-hand-side of the constraints is stochastic are considered. We define the equivalent scalar-valued problem and study the stability of the equivalent scalar-valued problem with respect to the weight parameters and probability mesures under reasonable assumptions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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