Various control algorithms are available to suppress the vibration of a system subjected to disturbances. LQ algorithm is simple and easy to implement the hardwares, but it lacks robustness for uncertainties and often causes difficulty in determining the weighting matrices. This study focuses on the effectiveness ILQ(Inverse Linear Quadratic optimal control) algorithm as the alternative to LQ applied to control the vibration of a building under the seismic excitation. The building is of moment resisting steel frames and assumed to behave within the elastic range. The brief overview of LQ and ILQ algorithms is introduced, and the displacement responses of the structure using ILQ algorithm are compared with those obtained from LQ control. The magnitude of control forces are also determined and compared for both LQ and ILQ algorithm.
Kamalzare, Mahmoud;Johnson, Erik A.;Wojtkiewicz, Steven F.
Smart Structures and Systems
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제15권3호
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pp.847-862
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2015
Typical base isolated buildings are designed so that the superstructure remains elastic in design-level earthquakes, though the isolation layer is often quite nonlinear using, e.g., hysteretic elements such as lead-rubber bearings and friction pendulum bearings. Similarly, other well-performing structural control systems keep the structure within the linear range except during the most extreme of excitations. Design optimization of these isolators or other structural control systems requires computationally-expensive response simulations of the (mostly or fully) linear structural system with the nonlinear structural control devices. Standard nonlinear structural analysis algorithms ignore the localized nature of these nonlinearities when computing responses. This paper proposes an approach for the computationally-efficient optimal design of passive isolators by extending a methodology previously developed by the authors for accelerating the response calculation of mostly linear systems with local features (linear or nonlinear, deterministic or random). The methodology is explained and applied to a numerical example of a base isolated building with a hysteretic isolation layer. The computational efficiency of the proposed approach is shown to be significant for this simple problem, and is expected to be even more dramatic for more complex systems.
This paper addresses the numerical simulation of fatigue crack growth in arbitrary 2D geometries under constant amplitude loading by the using a new finite element software. The purpose of this software is on the determination of 2D crack paths and surfaces as well as on the evaluation of components Lifetimes as a part of the damage tolerant assessment. Throughout the simulation of fatigue crack propagation an automatic adaptive mesh is carried out in the vicinity of the crack front nodes and in the elements which represent the higher stresses distribution. The fatigue crack direction and the corresponding stress-intensity factors are estimated at each small crack increment by employing the displacement extrapolation technique under facilitation of singular crack tip elements. The propagation is modeled by successive linear extensions, which are determined by the stress intensity factors under linear elastic fracture mechanics (LEFM) assumption. The stress intensity factors range history must be recorded along the small crack increments. Upon completion of the stress intensity factors range history recording, fatigue crack propagation life of the examined specimen is predicted. A consistent transfer algorithm and a crack relaxation method are proposed and implemented for this purpose. Verification of the predicted fatigue life is validated with relevant experimental data and numerical results obtained by other researchers. The comparisons show that the program is capable of demonstrating the fatigue life prediction results as well as the fatigue crack path satisfactorily.
The lateral stability of bridge foundations against train moving load, emergency stopping load, earthquakes, and so on is very important for a railway bridge foundation. A borehole test is much more accurate than laboratory tests since it is possible to minimize the disturbance of ground conditions on the test site. The representative borehole test methods are Dilatometer, Pressuremeter and Lateral Load Tester, which usually provide force-resistance characteristics in elastic range. In order to estimate P-y curves using those methods, the non-linear characteristics of soil which is one of the most important characteristics of the soil cannot be obtained. Therefore, P-y curves are estimated usually using elastic modulus ($E_O$, $E_R$) of lateral pressure-deformation ratio obtained within the range of elastic behavior. Even though the pile foundation is designed using borehole tests in field to increase design accuracy, it is necessary to use a higher safety factor to improve the reliability of the design. A Large Displacement Borehole Testmeter(LDBT) is developed to measure nonlinear characteristics of the soil in this study. P-y curves can be directly achieved from the developed equipment. Comparisons between measured P-y curves the LDBT developed equipment, theoretical methods based on geotechnical investigations, and back-calculated P-y curves from field tests are shown in this paper. The research result shows that the measured P-y curves using LDBT can be properly matched with back-calculated P-y curves from filed tests by applying scale effects for sand and clay, respectively.
Since the linear elastic fracture analysis has been proved to be insufficient in predicting the failure of strain hardening materials, a number of fracture concepts have been studied which remain applicable in the presence of plasticity near a crack tip. This work thereby presents a new finite element model to predict the elastic-plastic crack-tip field and fatigue life of center-cracked panels(CCP) with ductile fracture under large-scale yielding conditions. Also, this study has been carried out to investigate the path-dependence of J-integral within the plastic zone for elastic-perfectly plastic, bilinear elastic-plastic, and nonlinear elastic-plastic materials. Based on the incremental theory of plasticity, the p-version finite element is employed to account for the accurate values of J-integral, the most dominant fracture parameter, and the shape of plastic zone near a crack tip by using the J-integral method. To predict the fatigue life, the conventional Paris law has been modified by substituting the range of J-value denoted by ${\Delta}J$ for ${\Delta}K$. The experimental fatigue test is conducted with five CCP specimens to validate the accuracy of the proposed model. It is noted that the relationship between the crack length a and ${\Delta}K$ in LEFM analysis shows a strong linearity, on the other hand, the nonlinear relationship between a and ${\Delta}J$ is detected in EPFM analysis. Therefore, this trend will be depended especially in the case of large scale yielding. The numerical results by the proposed model are compared with the theoretical solutions in literatures, experimental results, and the numerical solutions by the conventional h-version of the finite element method.
The change of elastic modulus(E'), loss modulus(E"), and loss $tangent(tan{\delta})$ were investigated on condition of double strain amplitude (DSA) at temperature of $-40{\sim}80^{\circ}C$ for carbon black filled natural rubber. E', E", and $tan{\delta}$ were increased as it closed to the glass transition temperature due to decrease of rubber network flexibility and carbon black agglomerate interaction. In the micro strain range, energy loss showed maximum value because of the chain slippage in rubber matrix, but the regeneration of carbon black agglomerate and rubber matrix affected decrease of energy loss over the mid-range strain. As a results of regression analysis, $E'\;_{max}$ correlation with ${\Delta}E'$$(E'\;_{0.4%DSA}-E'\;_{2.0%DSA})$ showed linear relationship.
The present study concerns a removal of chloride ions and structural behaviour of concrete beam at electrochemical chloride extraction (ECE). The electrochemical properties included 1000 mA/m2 current density for 2, 4 and 8 weeks. It was found that an increase in the duration of ECE resulted in an increase in the extraction rate of chlorides, in the range of 35-85%, irrespective of chloride contamination. In structural behaviour, the strength and maximum bending moment of specimen was always lowered by ECE. Moreover, the flexural rigidity and bending stiffness were reduced by the loss of effective cross-section area in the linear elastic range. Simultaneously, the inertia moment was substantially subjected to 70% loss of the cross-section by the tensile strain at the condition of the failure. However, a lower rate of the inertia moment reduction was achieved by ECE, implying the higher resistance to the cracking, but the higher risk of deformation.
This paper attempts to develop the analytical model of estimating the fatigue damage using a linear elastic fracture mechanics method. The stress history on a welding member, when a truck passed over a bridge, was defined as a block loading and the crack closure theory was used. These theories explain the influence of a load on a structure. This study undertook an analysis of the stress range frequency considering both dead load stress and crack opening stress. A probability method applied to stress range frequency distribution and the probability distribution parameters of it was obtained by Maximum likelihood Method and Determinant. Monte Carlo Simulation which generates a probability variants (stress range) output failure block loadings. The probability distribution of failure block loadings was acquired by Maximum likelihood Method and Determinant. This can calculate the fatigue reliability preventing the fatigue failure of a welding member. The failure block loading divided by the average daily truck traffic is a predictive remaining life by a day. Fatigue reliability analysis was carried out for the welding member of the bottom flange of a cross beam and the vertical stiffener of a steel box bridge by the proposed model. Results showed that the primary factor effecting failure time was crack opening stress. It was important to decide the crack opening stress for using the proposed model. Also according to the 50% reliability and 90%, 99.9% failure times were indicated.
본 연구는 지진동을 받는 구조물의 응답을 제어하기 위한 하이브리드 LQG 기법의 효용성을 조사하는 것이 목적이다. 입력 기진력은 엘센트로 지진이며 지반 가속도을 적절히 조절하여 구조물이 탄성 범위내에서 거동하도록 하였다. 수동 제어 장치로서 최상층에 설계된 TMD는 LQG 제어 알고리즘에 의해 통제되며 능동 제어기와 함께 하이브리드 제어 시스템을 이룬다. 이 기법을 통해 제어된 변위 응답을 비교한 결과 순수하게 능동 제어를 한 경우에 비해 훨씬 작은 크기의 입력으로도 변위를 제어할 수 있었으며 센서의 위치는 최상층에 부착하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났다.
이 연구는 대표적인 면진장치인 납고무베어링(LRB)의 유한요소모델의 신뢰성을 향상시키기 위하여 주재료인 고무의 재료특성에 대하여 연구하였다. 고무는 일반적인 탄성재료와는 달리 대변형, 비선형특성을 가지는 초탄성 재료이다. 본 연구에서는 고무를 초탄성 재료로 가정하고 그의 재료특성을 변형률에너지함수로 표현하여 LRB의 유한요소모델을 개발하였다. 연구를 위하여 여러 변형률에너지함수 중 몇 가지를 선별하고 이를 이용하여 고무의 재료특성을 예측하였다. 변형률에너지함수를 이용하여 결정된 고무의 재료특성과 표준적인 납의 재료특성을 이용하여 LRB의 유한요소모델을 개발하고, 수평방향과 수직방향의 힘-변위 관계를 해석하였다. LRB의 유한요소모델을 통하여 해석으로 예측한 수평과 수직방향 강성을 실험결과와 비교함으로써 개발된 유한요소모델의 적합성을 검증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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