Probability based design(PBD)method has some advantages against current design methods. First, it can provide the quantitative values for the structural safety or capacity through the reliability index, $^{\beta}$. That presented the certainty on the corresponding structure for the designer or user, also that permitted the broad consideration in the safety of structures. In addition, it can give the quantitative lifetime of the related structure in the calculation process of target reliability index. Also, incidental economical efficiency can be expected because decrease of required structural material can be obtained by using the practical material data. Unlikely current deterministic structural design methods, main advantage is the reflection of real condition in the structural design process by application of the data with not small clear specimen but structural size material. Advanced countries, namely America, Canada, Europe, Australia and New Zealand already converted from allowable stress design(ASD) method to PBD method and used as a standard wooden structures code in the late 1980s and 1990s. Other domestic constructions standards such as the steel or concrete constructions accepted and used the PBD methods already. Accordingly, wooden structural design method also should be converted from deterministic ASD to probabilistic LRFD(Load and resistance factor design) in order to keep pace with worldwide demands for PBD. Hence, to suggest the reason of introduction the PBD in domestic wooden structural design and analysis, a brief example was used to show the different reliability index by using the different design methods. Definition, merits and demerits of deterministic ASD and probabilistic LRFD were followed. Also the three examples were presented to show the similarity and differences between ASD and LRFD. Finally, connection problems that might cause a disputation in wooden structural design and analysis were broadly examined.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1993.10a
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pp.248-255
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1993
Recently, due to the increasing attention to the structural safety under uncertain environments, many researches on the structural reliability analysis have been peformed. Some useful methods are available to evaluate performance reliability of structures with explicit limit states. However, for large structures, in which structural behaviors can be analyzed with finite element models and the limit states are only expressed implicitly, Monte-Carlo simulation method has been mainly used. However, Monte-Carlo simulation method spends too much computational time on repetitive structural analysis. Many alternative methods are suggested to reduce the computational work required in Monte-Carlo simulation. Response surface method is widely used to improve the efficiency of structural reliability analysis. Response surface method is based on the concept of approximating simple polynomial function of basic random variables for the limit state which is not easily expressed in explicit forms of design random variables. The response surface method has simple algorithm. However, the accuracy of results highly depends on how properly the stochastic characteristics of the original limit state has been represented by approximated function, In this study, an improved response surface method is proposed in which the sampling points for creating response surface are modified to represent the failure surface more adequately and the combined use of a linear response surface function and Rackwitz-Fiessler method has been employed. The method is found to be more effective and efficient than previous response surface methods. In addition more consistent convergence is achieved, Accuracy of the proposed method has been investigated through example.
With the continuous increase of span lengths, modern bridges are becoming much more flexible and more prone to flutter under wind excitations. A reasonable probabilistic flutter analysis of long-span bridges involving random and uncertain variables may have to be taken into consideration. This paper presents a method for estimating the reliability index and failure probability due to flutter, which considers the very important variables including the extreme wind velocity at bridge site, damping ratio, mathematical modeling, and flutter derivatives. The Aizhai Bridge in China is selected as an example to demonstrate the numerical procedure for the flutter reliability analysis. In the presented method, the joint probability density function of wind speed and wind direction at the deck level of the bridge is first established. Then, based on the fundamental theories of structural reliability, the reliability index and failure probability due to flutter of the Aizhai Bridge is investigated by applying the Monte Carlo method and the first order reliability method (FORM). The probabilistic flutter analysis can provide a guideline in the design of long-span bridges and the results show that the structural damping and flutter derivatives have significant effects on the flutter reliability, more accurate and reliable data of which is needed.
In China, the oil and natural gas resources of Bohai Bay are mainly marginal oil fields. It is necessary to build both ice-resistant and economical offshore platforms. However, risk is involved in the design, construction, utilization, maintenance of offshore platforms as uncertain events may occur within the life-cycle of a platform under the extreme ice load. In this study, the optimum design model of the expected life-cycle cost for ice-resistant platforms based on cost-effectiveness criterion is proposed. Multiple performance demands of the structure, facilities and crew members, associated with the failure assessment criteria and evaluation functions of costs of construction, consequences of structural failure modes including damage, revenue loss, death and injury as well as discounting cost over time are considered. An efficient approximate method of the global reliability analysis for the offshore platforms is provided, which converts the implicit nonlinear performance function in the conventional reliability analysis to linear explicit one. The proposed life-cycle optimum design formula are applied to a typical ice-resistant platform in Bohai Bay, and the results demonstrate that the life-cycle cost-effective optimum design model is more rational compared to the conventional design.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.19
no.4
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pp.469-475
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2010
The objective of this study is to integrate reliability analysis into shape optimization problem using the evolutionary structural optimization (ESO) in the application example. Reliability-based shape optimization is formulated as volume minimization problem with probabilistic stress constraint under minimization max. von Mises stress and allow stress. Young's modulus, external load and thickness are considered as uncertain variables. In order to compute reliability index, four methods, i.e., reliability index approach (RIA), performance measure approach (PMA), single-loop singlevector (SLSV) and adaptive-loop (ADL), are used. Reliability-based shape optimization design process is conducted to obtain optimal shape satisfying max. von Mises stress and reliability index constraints with the above four methods, and then each result is compared with respect to numerical stability and computing time.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.33
no.2
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pp.96-110
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1996
Aging ships can suffer structural damage due to corrosion, fatigue crack etc., and possibility of catastrophic failure of seriously damaged ships is very high. To reduce the risk of loss of ships due to hull collapse, it is essential to evaluate ultimate hull strength of aging ships taking into account various uncertainties associated with structural damages. In this paper, ultimate strength-based reliability analysis of ship structures considering wear of structural members due to corrosion is described. A corrosion rate estimate model for structural members is introduced. An ultimate limit state function of a ship hull is formulated taking into account corrosion effects. The model is applied to an existing oil tanker, and reliability index associated with hull collapse is calculated by using the second-order reliability method (SORM). Discussions on structure safety of corroded ships are made.
Considering the effect of dynamic response amplification, a reliability analysis of an offshore wind turbine support structure under an earthquake is presented. A reliability analysis based on the dynamic response requires a large amount of time when using not only a level 3 approach but also level 2 such as a first order reliability method (FORM). Moreover, if a limit state is defined by using the maximum stress at a structural joint where stress concentration occurs, a three-dimensional element should be used in the finite element analysis. This makes the computational load much heavier. To deal with this kind of problem, two techniques are suggested in this paper. One is the application of a quasi-static structural analysis that takes the dynamic amplification effect into account. The other is the use of a stress concentration factor to estimate the maximum local stress. The proposed reliability analysis is performed using a level 2 FORM and verified using a level 3 simulation approach.
The reliability-based seismic design of steel frames is a complex process that incorporates seismic demand with a structural capacity to attain safe buildings aligned with specified constraints. This paper introduces an efficient base shear force formulation to support the reliability-based design process of steel frames. The introduced base shear force equation combines the seismic demand statistics with the reliability objective to calculate a fictitious base shear force for linear static analysis. By concentrating on the seismic demand and promising to meet a certain level of reliability, the equation converts the reliability-based seismic design problem to a deterministic one. Two code-compliant real-size steel moment frames are developed according to different reliability objectives to demonstrate the competency of the proposed formula. The nonlinear dynamic analysis method is used to assess the seismic reliability of the constructed frames, and the numerical results validate the credibility of the suggested formulation. The base shear force calculation method regarding seismic reliability is the main finding of this study. The ease of use makes this approach a potent tool for design professionals and stakeholders to make rapid risk-informed decisions regarding steel moment frame design.
Lee, Sangik;Lee, Jonghyuk;Jeong, Youngjoon;Kim, Dongsu;Seo, Byunghun;Seo, Yejin;Choi, Won
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.64
no.5
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pp.67-77
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2022
Recently, the trend in structural analysis and design is moving towards the development of reliable system. The reliability-based method defines various limit states related to usability and failure, thereby enabling multiple levels of design according to the importance of a structure. Meanwhile, an actual structure is composed of a set of several elements, and particularly, a frame type is composed of a system in which the members are connected each other. At this time, the actual connection between members is in a semi-rigid condition, not in complete rigid or hinged. This semi-rigid is found in several structures, especially in agricultural facilities designed with lightweight materials. In this study, a system reliability analysis technique for frame structure was established, and applied to an analysis of the semi-rigid connection. Various conditions of correlation were applied to reflect the connectivity between members, and through this, the limitations of existing structural analysis method and the behavioral characteristics of structure were analyzed. The failure probability of the frame member component and the overall structure system was significantly different in consideration of the semi-rigid connection. In addition, it was evaluated that the behavior of structure can be more accurately analyzed if the correlation according to the position of members in a system is further investigated.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.19
no.4
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pp.529-538
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2010
This paper presents a reliability-based topology optimization (RBTO) based on bidirectional evolutionary structural optimization (BESO). In design of a structure, uncertain conditions such as material property, operational load and dimensional variation should be considered. Deterministic topology optimization (DTO) is performed without considering the uncertainties related to the design variables. However, the RBTO can consider the uncertainty variables because it can deal with the probabilistic constraints. The reliability index approach (RIA) and the performance measure approach (PMA) are adopted to evaluate the probabilistic constraints in this study. In order to apply the BESO to the RBTO, sensitivity number for each element is defined as the change in the reliability index of the structure due to removal of each element. Smoothing scheme is also used to eliminate checkerboard patterns in topology optimization. The limit state indicates the margin of safety between the resistance (constraints) and the load of structures. The limit State function expresses to evaluate reliability index from finite element analysis. Numerical examples are presented to compare each optimal topology obtained from RBTO and DTO each other. It is verified that the RBTO based on BESO can be effectively performed from the results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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