Minte, Zhang;Tong, Guo;Ruizhao, Zhu;Yueran, Zong;Zhihong, Pan
Smart Structures and Systems
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v.30
no.6
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pp.557-569
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2022
Vibration-based structural health monitoring (SHM) is crucial for the dynamic maintenance of civil building structures to protect property security and the lives of the public. Analyzing these vibrations with modern artificial intelligence and deep learning (DL) methods is a new trend. This paper proposed an unsupervised deep learning method based on a convolutional autoencoder (CAE), which can overcome the limitations of conventional supervised deep learning. With the convolutional core applied to the DL network, the method can extract features self-adaptively and efficiently. The effectiveness of the method in detecting damage is then tested using a benchmark model. Thereafter, this method is used to detect damage and instant disaster events in a rubber bearing-isolated gymnasium structure. The results indicate that the method enables the CAE network to learn the intact vibrations, so as to distinguish between different damage states of the benchmark model, and the outcome meets the high-dimensional data distribution characteristics visualized by the t-SNE method. Besides, the CAE-based network trained with daily vibrations of the isolating layer in the gymnasium can precisely recover newly collected vibration and detect the occurrence of the ground motion. The proposed method is effective at identifying nonlinear variations in the dynamic responses and has the potential to be used for structural condition assessment and safety warning.
Under the effects of the near-field earthquakes, the incident angle of the incoming wave could be different. In this study, the influences of some parameters such as incident angle, basin edge, peak ground acceleration level of the bedrock motion as well as different clay types with different consistency on the amplification behavior of the shallow basins are investigated. To attain this goal, the numerical analyses of the basins filled with three different clay types are performed using a fully nonlinear method. The two dimensional models of the basins are subjected to a set of strong ground motions with different peak ground acceleration levels and three different incident angles of 30◦, 45◦ and 90◦ with respect to the horizontal axes. The results show the dominant effect of the obliquely subjected waves at most cases. The higher effect of the 45◦ incident angle on the basin response was concluded. In the other part of this study, the spectral amplification curves of the surface points were compared. It was seen that the maximum spectral amplification of different surface points occurs at different periods. Also, it is affected by the increase in the peak acceleration level of the incoming motions.
The strength reduction factor spectrum is traditionally obtained from a single-degree-of-freedom (SDOF) system with a constant damping coefficient. However, according to the principle of Rayleigh damping, the damping coefficient matrix of a system changes with the stiffness matrix, and the damping coefficient of an equivalent SDOF system changes with the tangent stiffness coefficient. In view of that, this study proposes an equivalent SDOF system with an adaptive damping coefficient and derives a standardized reaction balance equation. By iteratively adjusting the strength reduction factor, the corresponding spectrum with an equivalent ductility factor is obtained. In addition, the ratio between the strength reduction factor that considers adaptive damping and the traditional strength reduction factor, denoted by η, is determined, and the η-μ-T relationship is obtained. Seismic records of Classes C, D, and E sites are selected as excitations. Moreover, a nonlinear response time-history analysis is performed to establish the relationship between the η and T values for the equivalent ductility factor μ. Further, by exploring the effects of the site class, ductility factor, second-order stiffness coefficient, and period T on the mean value of η, a simplified calculation equation of mean η is derived, and η is used as a modified value for the traditional strength reduction factor R spectrum.
This paper presents a seismic analysis method that can evaluate a very large number of cases for the free standing dry storage cask by proposing a methodology that has short analysis time as well as accuracy. This study also performed a seismic analysis of a dry storage facility with multiple casks to show a tip-over phenomenon from earthquake accident conditions. The earthquake accident condition is long-term event that occur during about 20 s long, and lots of seismic analysis cases should be performed to consider various real conditions because the free-standing spent-fuel dry storage cask has many nonlinear responses. The soil-concrete pad-cask interaction was considered in the seismic analysis and finite element model was made using concrete pad, soil and cask models. In the reinforced concrete pad, the rebar was excluded to reduce the analysis time, but the thickness was corrected to maintain the bending rigidity. Additionally, the analysis time reduced by modeling the cask as a rigid body rather than a flexible body. 35-cases of seismic analysis were performed to determine a tip-over phenomenon from each earthquake. The analysis revealed that no tip-over phenomenon of the cask was observed in all analyses from 0.2 g to 0.6 g, however the tip-over of the cask were observed from 0.8 g with friction coefficients of 0.8 and 1.0.
The purpose of this study was to investigate the adsorption kinetics of heavy metals (Cu, Cd and Pb) using three tidal flat sediments and two yellow loesses. The relationship between adsorption rate calculated by non-linear regression model and chemical parameters was estimated. The contents of ignitiot loss (I.L.) am Fe, Mn and Al oxides of yellow loess were higher $1.5{\~}6 times$ than those of tidal flat sediments. But the contents of silt and clay of tidal flat sediment in Eueunri was higher than others. Heavy metals adsorption were occured rapidly in the intial 30 min and the concentration of adsorbed heavy metals were $4.1{\~}14.7\;{\mu}g/g\;for\;Cu,\;2.8{\~}16.7\;{\mu}g/g\;for\;Cd\;and\;43.4{\~}101.7\;{\mu}g/g$ for Pb, showing a high cumulative adsorption of $8{\~}70{\%}\;for\;Cu,\;18{\~}31{\%}\;for\;Cd and\;19{\~}52{\%}$ for Pb after 3hr. In initial concentration of $0.5{\times}10^(-5)M$, adsorption rate of heavy metals by the tidal flat sediments and yellow loesses was the sequence Pb>Cu^gt;Cd. The adsorption kinetics of Cu, Cd and Pb was found to be one-site kinetic model. Especially, in the case of Cu, there was a high negative ($R^2= -0.88{\~}-0.99$) linear correlation between chemical parameter such as I.L., Al oxide, silt and clay, and adsorption rate coefficients ($K_a$) calculated by non-linear model.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.2
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pp.43-51
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2011
Probabilistic seismic hazard analysis (PSHA), which can effectively apply inevitable uncertainties in seismic data, considers a number of seismotectonic models and attenuation equations. The calculated hazard by PSHA is generally a value dependent on peak ground acceleration (PGA) and expresses the value as an annual exceedance probability. To represent the uncertainty range of a hazard which has occurred using various seismic data, a hazard curve figure shows both a mean curve and percentile curves (15, 50, and 85). The percentile performs an important role in that it indicates the uncertainty range of the calculated hazard, could be calculated using various methods by the relation of the weight and hazard. This study using the weight accumulation method, the weighted hazard method, the maximum likelihood method, and the moment method, has calculated the percentile of the computed hazard by PSHA on the Shinuljin 1, 2 site. The calculated percentile using the weight accumulation method, the weighted hazard method, and the maximum likelihood method, have similar trends and represent the range of all computed hazards by PSHA. The calculated percentile using the moment method effectively showed the range of hazards at the source which includes a site. This study suggests the moment method as effective percentile calculation method considering the almost same mean hazard for the seismotectonic model and a source which includes a site.
Park, Jin-Young;Kim, Seo-Yeon;Hong, Suk-Jae;Kim, Hyung-Joon
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.3
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pp.249-257
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2015
The KBC2009 first introduces the requirements about vertical unbalanced forces into the design for steel ordinary concentrically braced frames(steel OCBFs), which forces them to easily meet the target seismic performance, called as the life safety performance objective under design based earthquakes(DBEs) pursuing in the KBC2009. However, there is little information on the effects of vertical unbalanced forces to the collapse prevention performance objective under maximum considered earthquakes(MCEs) which is another target seismic performance level implicitly prescribed in ASCE 7-10. It is valuable that the collapse capacities of steel OCBFs designed according to the KBC2009 are investigated. In this paper, the collapse modes of inverted V shaped steel OCBFs excited by MCEs are investigated. The prototype buildings of 5 story steel OCBFs are designed with different site conditions and three types of unbalanced forces are considered in the design stages. The prototype buildings are evaluated their seismic performances and collapse modes by nonlinear static analyses and nonlinear dynamic analyses. Analysis results show that the unbalanced forces significantly affect the seismic performance of the prototype buildings and proper considerations of unbalanced forces are required to achieve the desirable collapse mode and the collapse prevention performance objective.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.15
no.3
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pp.357-373
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2013
In this paper, a back analysis program for analyzing the behavior of tunnel-ground system and evaluating the material properties and tunnel design parameters was developed. This program was designed to be able to implement the back analysis of underground structure by combination of using FLAC and optimized algorithm as direct method. In particular, Rosenbrock method which is able to do direct search without obtaining differential coefficient was adopted for the back analysis algorithm among optimization methods. This back analysis program was applied to the site to evaluate the design parameters. The back analysis was carried out using field measurement results from 5 sites. In the course of back analysis, nonlinear regression analysis was carried out to identify the optimum function of the measured ground displacement. Exponential function and fractional function were used for the regression analysis and total displacement calculated by optimum function was used as the back analysis input data. As a result, displacement recalculated through the back analysis using measured displacement of the structure showed 4.5% of error factor comparing to the measured data. Hence, the program developed in this study proved to be effectively applicable to tunnel analysis.
Parametric studies for various site conditions by using 3d numerical model were carried out in order to estimate dynamic behavior of soil-pile-structure system in dry soil deposits. Proposed model was analyzed in time domain using FLAC3D which is commercial finite difference code to properly simulate nonlinear response of soil under strong earthquake. Mohr-Coulomb criterion was adopted as soil constitutive model. Soil nonlinearity was considered by adopting the hysteretic damping model, and an interface model which can simulate separation and slip between soil and pile was adopted. Simplified continuum modeling was used as boundary condition to reduce analysis time. Also, initial shear modulus and yield depth were appropriately determined for accurate simulation of system's nonlinear behavior. Parametric study was performed by varying weight of superstructure, pile length, pile head fixity, soil relative density with proposed numerical model. From the results of parametric study, it is identified that inertial force induced by superstructure is dominant on dynamic behavior of soil-pile-structure system and effect of kinematic force induced by soil movement was relatively small. Difference in dynamic behavior according to the pile length and pile head fixity was also numerically investigated.
The stability of the gravity quay wall against earthquakes is evaluated on the basis of the allowable displacement of the wall. To estimate the displacement caused by external forces, empirical equations based on the Newmark sliding block method or numerical analysis are widely used. In numerical analysis, it is possible to analyze precisely a complicated site and structure, but difficult to set the appropriate parameters and environments; there are limitations in obtaining reliable results, depending on one's level of expertise. The Newmark method, with only seismic motions, is widely used because it is simpler than numerical simulations when estimating permanent displacement. However, the empirical equations do not have any parameters for the response characteristics and sliding block of the structure, and sliding blocks being assumed as rigid bodies does not consider the nonlinear behavior of the soil and interaction with the structure. Therefore, in order to evaluate the seismic stability of the gravity quay wall, a newly-developed empirical equation is needed to overcome the above-mentioned limitations. In this study, numerical simulations are performed to analyze the response characteristics of the backfill of the structure, and to propose an optimal method of calculating the active area. For this purpose, finite element analyses were performed to analyze the response characteristics, and stress-strain relationships for various seismic motions. As a result, the response characteristics, sliding block, and failure surface of the backfill vary depending on the input seismic motions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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