Yang Ding;Yu-Jun Wei;Pei-Sen Xi;Peng-Peng Ang;Zhen Han
Smart Structures and Systems
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v.33
no.1
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pp.17-26
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2024
The new metro crossing the existing metro will cause the settlement or floating of the existing structures, which will have safety problems for the operation of the existing metro and the construction of the new metro. Therefore, it is necessary to monitor and predict the settlement of the existing metro caused by the construction of the new metro in real time. Considering the complexity and uncertainty of metro settlement, a Gaussian Prior Bayesian Emulator (GPBE) probability prediction model based on Bayesian optimization (BO) is proposed, that is, BO-GPBE. Firstly, the settlement monitoring data are analyzed to get the influence of the new metro on the settlement of the existing metro. Then, five different acquisition functions, that is, expected improvement (EI), expected improvement per second (EIPS), expected improvement per second plus (EIPSP), lower confidence bound (LCB), probability of improvement (PI) are selected to construct BO model, and then BO-GPBE model is established. Finally, three years settlement monitoring data were collected by structural health monitoring (SHM) system installed on Nanjing Metro Line 10 are employed to demonstrate the effectiveness of BO-GPBE for forecasting the settlement.
This paper proposes a composite form of fuzzy adaptive control plan based on a robust observer. The fuzzy 2D control gains are regulated by the parameters in the LMIs. Then, control and learning performance indices with weight matrices are constructed as the cost functions, which allows the regulation of the trade-off between the two performance by setting appropriate weight matrices. The design of 2D control gains is equivalent to the LMIs-constrained multi-objective optimization problem under dual performance indices. By using this proposed smart tracking design via fuzzy nonlinear criterion, the data link can be further extended. To evaluate the performance of the controller, the proposed controller was compared with other control technologies. This ensures the execution of the control program used to track position and trajectory in the presence of great model uncertainty and external disturbances. The performance of monitoring and control is verified by quantitative analysis. The goals of this paper are towards access to adequate, safe and affordable housing and basic services, promotion of inclusive and sustainable urbanization and participation, implementation of sustainable and disaster-resilient buildings, sustainable human settlement planning and manage. Therefore, the goal is believed to achieved in the near future by the ongoing development of AI and control theory.
Alvaro Javier Florez;Luis Felipe Giraldo;Mariantonieta Gutierrez Soto
Smart Structures and Systems
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v.34
no.2
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pp.73-85
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2024
Smart base-isolated buildings rest on flexible pads known as base isolators that minimize the effect of external disturbances along with active/semi-active actuators. The strategies used to control these active components are typically based on system models that are known a priori. Although these models describe some of the most important dynamics of the elements involved in the system, the high degree of uncertainty in the behavior of a structure under external disturbances is very difficult to characterize using a fixed model. In this work, we propose a strategy that deals with this issue: the input that controls the actuator in the base isolation system results from the compound action of a controller that relies on a model of the system that is known a priori, and a control policy that is designed based on online data-driven inferences on the behavior of the system. In this way, the control design process incorporates both the prior information about the system and the unknowns of the system, such as non-modeled parameters and nonlinear behaviors in the building. We show through simulations the performance of the proposed method in an eight-story building subjected to seismic loading.
A carbon capture and storage (CCS) plays a very important role to reduce $CO_2$ dramatically in $CO_2$ emission sources which are distributed throughout various areas. Numerous research works have been undertaken to analyze the techno-economic feasibility of planning the CCS infrastructure. However, uncertainties such as $CO_2$ emissions, $CO_2$ reduction costs, and carbon taxes may exist in various impact factors of the CCS infrastructure. However, few research works have adopted these uncertainties in designing the CCS infrastructure. In this study, a two-stage stochastic programming model is developed for planning the CCS infrastructure under uncertain operating costs and carbon taxes. It can help determine where and how much $CO_2$ to capture, store or transport for the purpose of minimizing the total annual $CO_2$ reduction cost in handling the uncertainties while meeting the $CO_2$ mitigation target. The capability of the proposed model to provide correct decisions despite changing the operating costs and carbon taxes is tested by applying it to a real case study based on Korea. The results will help to determine planning of a CCS infrastructure under uncertain environments.
This work aims at introducing structural sensitivity analysis capabilities into existing commercial finite element software codes for the purpose of mapping retrofit strategies for a broad group of structures including heritage-type buildings. More specifically, the first stage sensitivity analysis is implemented for the standard deterministic environment, followed by stochastic structural sensitivity analysis defined for the probabilistic environment in a subsequent, second phase. It is believed that this new generation of software that will be released by the industrial partner will address the needs of a rapidly developing specialty within the engineering design profession, namely commercial retrofit and rehabilitation activities. In congested urban areas, these activities are carried out in reference to a certain percentage of the contemporary building stock that can no longer be demolished to give room for new construction because of economical, historical or cultural reasons. Furthermore, such analysis tools are becoming essential in reference to a new generation of national codes that spell out in detail how retrofit strategies ought to be implemented. More specifically, our work focuses on identifying the minimum-cost intervention on a given structure undergoing retrofit. Finally, an additional factor that arises in earthquake-prone regions across the world is the random nature of seismic activity that further complicates the task of determining the dynamic overstress that is being induced in the building stock and the additional demands placed on the supporting structural system.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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pp.155-167
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2020
This paper demonstrates a real-time hybrid substructuring (RTHS) shake table test to evaluate the seismic performance of a base isolated building. Since RTHS involves a feedback loop in the test implementation, the frequency dependent magnitude and inherent time delay of the actuator dynamics can introduce inaccuracy and instability. The paper presents a robust stability and performance analysis method for the RTHS test. The robust stability method involves casting the actuator dynamics as a multiplicative uncertainty and applying the small gain theorem to derive the sufficient conditions for robust stability and performance. The attractive feature of this robust stability and performance analysis method is that it accommodates linearized modeled or measured frequency response functions for both the physical substructure and actuator dynamics. Significant experimental research has been conducted on base isolators and dampers toward developing high fidelity numerical models. Shake table testing, where the building superstructure is tested while the isolation layer is numerically modeled, can allow for a range of isolation strategies to be examined for a single shake table experiment. Further, recent concerns in base isolation for long period, long duration earthquakes necessitate adding damping at the isolation layer, which can allow higher frequency energy to be transmitted into the superstructure and can result in damage to structural and nonstructural components that can be difficult to numerically model and accurately predict. As such, physical testing of the superstructure while numerically modeling the isolation layer may be desired. The RTHS approach has been previously proposed for base isolated buildings, however, to date it has not been conducted on a base isolated structure isolated at the ground level and where the isolation layer itself is numerically simulated. This configuration provides multiple challenges in the RTHS stability associated with higher physical substructure frequencies and a low numerical to physical mass ratio. This paper demonstrates a base isolated RTHS test and the robust stability and performance analysis necessary to ensure the stability and accuracy. The tests consist of a scaled idealized 4-story superstructure building model placed directly onto a shake table and the isolation layer simulated in MATLAB/Simulink using a dSpace real-time controller.
In this paper, for efficiently reducing the computational cost of the model updating during the optimization process of damage detection, the structural response is evaluated using properly trained surrogate model. Furthermore, in practice uncertainties in the FE model parameters and modelling errors are inevitable. Hence, an efficient approach based on Monte Carlo simulation is proposed to take into account the effect of uncertainties in developing a surrogate model. The probability of damage existence (PDE) is calculated based on the probability density function of the existence of undamaged and damaged states. The current work builds a framework for Probability Based Damage Detection (PBDD) of structures based on the best combination of metaheuristic optimization algorithm and surrogate models. To reach this goal, three popular metamodeling techniques including Cascade Feed Forward Neural Network (CFNN), Least Square Support Vector Machines (LS-SVMs) and Kriging are constructed, trained and tested in order to inspect features and faults of each algorithm. Furthermore, three wellknown optimization algorithms including Ideal Gas Molecular Movement (IGMM), Particle Swarm Optimization (PSO) and Bat Algorithm (BA) are utilized and the comparative results are presented accordingly. Furthermore, efficient schemes are implemented on these algorithms to improve their performance in handling problems with a large number of variables. By considering various indices for measuring the accuracy and computational time of PBDD process, the results indicate that combination of LS-SVM surrogate model by IGMM optimization algorithm have better performance in predicting the of damage compared with other methods.
Ye, Ling;Chen, Hua-Peng;Zhou, Hang;Wang, Sheng-Nan
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.4
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pp.519-527
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2020
Dynamic analysis of a vehicle-track coupling system is important to structural design, damage detection and condition assessment of the structural system. Deterministic analysis of the vehicle-track coupling system has been extensively studied in the past, however, the structural parameters of the coupling system have uncertainties in engineering practices. It is essential to treat the parameters of the vehicle-track coupling system with consideration of uncertainties. In this paper, a method for predicting the bounds of the vehicle-track coupling system responses with uncertain parameters is presented. The uncertain system parameters are modeled as fuzzy variables instead of conventional random variables with known probability distributions. Then, the dynamic response functions of the coupling system are transformed into a component function based on the high dimensional representation approximation. The Lagrange interpolation method is used to approximate the component function. Finally, the bounds of the system's dynamic responses can be predicted by using Monte Carlo method for the interpolation polynomials of the Lagrange interpolation function. A numerical example is introduced to illustrate the ability of the proposed method to predict the bounds of the system's dynamic responses, and the results are compared with the direct Monte Carlo method. The results show that the proposed method is effective and efficient to predict the bounds of the system's dynamic responses with fuzzy variables.
Optimal sensor placement (OSP) is a critical issue in construction and implementation of a sophisticated structural health monitoring (SHM) system. The uncertainties in the identified structural parameters based on the measured data may dramatically reduce the reliability of the condition evaluation results. In this paper, the information entropy, which provides an uncertainty metric for the identified structural parameters, is adopted as the performance measure for a sensor configuration, and the OSP problem is formulated as the multi-objective optimization problem of extracting the Pareto optimal sensor configurations that simultaneously minimize the appropriately defined information entropy indices. The nondirective movement glowworm swarm optimization (NMGSO) algorithm (based on the basic glowworm swarm optimization (GSO) algorithm) is proposed for identifying the effective Pareto optimal sensor configurations. The one-dimensional binary coding system is introduced to code the glowworms instead of the real vector coding method. The Hamming distance is employed to describe the divergence of different glowworms. The luciferin level of the glowworm is defined as a function of the rank value (RV) and the crowding distance (CD), which are deduced by non-dominated sorting. In addition, nondirective movement is developed to relocate the glowworms. A numerical simulation of a long-span suspension bridge is performed to demonstrate the effectiveness of the NMGSO algorithm. The results indicate that the NMGSO algorithm is capable of capturing the Pareto optimal sensor configurations with high accuracy and efficiency.
This paper has discussed several issues regarding the barriers and opportunities for technological catch-up by the late-comer countries and firms. As one of the barriers to technological catch-up, the paper emphasizes the uncertainty involved with the third stage of learning how to design. The barriers arise because as the forerunner firms refuse to sell or give license to successful catching-up firms who thus have to design the product by themselves. The paper discusses how to overcome this barrier. It also notes that if the crisis of design technology is a push factor for leapfrogging, arrival of new techno-economic paradigm can serve as a pull factor for leapfrogging, serving as a winder of opportunity. The, it emphasized the two risks with leapfrogging, namely the risk of choosing right technology or standards and the risk of creating initial markets, and how to overcome these risks. It discusses how to overcome these risks in leapfrogging, and differentiates diverse forms of knowledge accesses. Then, the paper takes up the issue of whether there can be a single common or several models for catch-up. A common element of catching-up is to enter new markets segments quickly, to manufacture with high levels of engineering excellence, and to be first-to-market by means of the best integrative designs. This observation is supported by the fact that Korea and Taiwan has achieved higher levels of technological capabilities in such sectors as featured by short cycle time of technology. The possibility of two alternative models for catch-up is also discussed in terms of the key difference between Korean and Taiwan, especially in the position toward the source of foreign knowledge and the paths taken toward the final goal of OBM. Taiwan followed the sequential steps of OEM, ODM and OBN, in collaboration or integration with the MNCs. Korean chaebols jumped from OEM directly to OBM even without consolidating design technology.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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