Conventional Monte Carlo simulation-based methods for seismic risk assessment of water networks often require excessive computational time costs due to the hydraulic analysis. In this study, an Artificial Neural Network-based surrogate model was proposed to efficiently evaluate the flow-based system reliability of water distribution networks. The surrogate model was constructed with appropriate training parameters through trial-and-error procedures. Furthermore, a deep neural network with hidden layers and neurons was composed for the high-dimensional network. For network training, the input of the neural network was defined as the damage states of the k-dimensional network facilities, and the output was defined as the network system performance. To generate training data, random sampling was performed between earthquake magnitudes of 5.0 and 7.5, and hydraulic analyses were conducted to evaluate network performance. For a hydraulic simulation, EPANET-based MATLAB code was developed, and a pressure-driven analysis approach was adopted to represent an unsteady-state network. To demonstrate the constructed surrogate model, the actual water distribution network of A-city, South Korea, was adopted, and the network map was reconstructed from the geographic information system data. The surrogate model was able to predict network performance within a 3% relative error at trained epicenters in drastically reduced time. In addition, the accuracy of the surrogate model was estimated to within 3% relative error (5% for network performance lower than 0.2) at different epicenters to verify the robustness of the epicenter location. Therefore, it is concluded that ANN-based surrogate model can be utilized as an alternative model for efficient seismic risk assessment to within 5% of relative error.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.4
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pp.20-27
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2021
The present study presents a nonlinear finite element analysis (FEA) approach using the general program of Abaqus to evaluate the seismic response of unreinforced masonry walls strengthened with the steel bar truss system developed in the previous investigation. For finite element models of masonry walls, the concrete damaged plasticity (CDP) and meso-scale methods were considered on the basis of the stress-strain relationships under compression and tension and shear friction-slip relationship of masonry prisms proposed by Yang et al. in order to formulate the interface characteristics between brick elements and mortars. The predictions obtained from the FEA approach were compared with test results under different design parameters; as a result, a good agreement could be observed with respect to the crack propagation, failure mode, rocking strength, peak strength, and lateral load-displacement relationship of masonry walls. Thus, it can be stated that the proposed FEA approach shows a good potential for designing the seismic strengthening of masonry walls.
Available records of recent earthquakes show that near-field earthquakes have different characteristics than far-field earthquakes. In general, most of these unique characteristics of near-fault records can be attributed to their forward directivity. This phenomenon causes the records of ground motion normal to the fault to entail pulses with long periods in the velocity time history. The energy of the earthquake is almost accumulated in these pulses causing large displacements and, accordingly, severe damages in the building. Damage to structures caused by past earthquakes raises the need to assess the chance of future earthquake damage. There are a variety of methods to evaluate building seismic vulnerabilities with different computational cost and accuracy. In the meantime, fragility curves, which defines the possibility of structural damage as a function of ground motion characteristics and design parameters, are more common. These curves express the percentage of probability that the structural response will exceed the allowable performance limit at different seismic intensities. This study aims to obtain the fragility curve for low- and mid-rise structures of reinforced concrete moment frames by incremental dynamic analysis (IDA). These frames were exposed to an ensemble of 18 ground motions (nine records near-faults and nine records far-faults). Finally, after the analysis, their fragility curves are obtained using the limit states provided by HAZUS-MH 2.1. The result shows the near-fault earthquakes can drastically influence the fragility curves of the 6-story building while it has a minimal impact on those of the 3-story building.
Ann, Ho-June;Song, Sang-Geun;Min, Dae-Hong;An, Sang-Mi;Kong, Jung-Sik
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.5
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pp.397-403
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2016
During the rapid economic growth in Korea since the 1970s, many underground facilities were constructed such as under passes and railways. Seismic design has been mandated in 1988, but the structures built before 1988 were not reflected on the seismic design. Accordingly, these underground structures require effective seismic reinforcing methods to ensure safety when the earthquake happens. By these reasons, in this study, using the proposed pre-flexed members, RC box structure was analyzed for seismic reinforcement of the corner. This method is based on a principle that enlarging the resistance against the external force by installing the pre-flexed member to the box structure corner. To evaluate validity, a newly developed member with CornerSafe was compared with traditional type reinforcement using experiments and finite element analysis. In finite element mode, nonlinearity of steel was modeled based on J2 plasticity model and concrete was based on CEB FIP MODEL CODE 1990. Also, composite ratios of box and pre-flexed member were computed for design application. The reinforcement and box structure were analyzed under the bond condition completely attached by the tie, and the results of experiment and finite element analysis were same in the force-displacement curve.
Investigation of structural integrity has been a critical issue in the field of civil engineering for years. Visual inspection is one of the most available methods to explore deteriorative components in structures. Still, this method is not applicable to invisible damage of structures. Alternatively, system identification methods are capable of tracking modal properties of structures over time. The deviation of these dynamic properties can serve as indicators to access structural integrity. In this study, a modal tracking technique using frequency-domain system identification from seismic responses of structures is proposed. The method first segments the measured signals into overlapped sequential portions and then establishes multiple Hankel matrices. Each Hankel matrix is then converted to the frequency domain, and a temporal-average frequency-domain Hankel matrix can be calculated. This study also proposes the frequency band selection that can divide the frequency-domain Hankel matrix into several portions in accordance with referenced natural frequencies. Once these referenced natural frequencies are unavailable, the first few right singular vectors by the singular value decomposition can offer these references. Finally, the frequency-domain stochastic subspace identification tracks the natural frequencies and mode shapes of structures through quick stabilization diagrams. To evaluate performance of the proposed method, a numerical study is carried out. Moreover, the long-term monitoring strong motion records at a specific site are exploited to assess the tracking performance. As seen in results, the proposed method is capable of tracking modal properties through seismic responses of structures.
In Peru, construction of dwellings using confined masonry walls (CM) has a high percentage of acceptance within many sectors of the population. It is estimated that only in Lima, 80% of the constructions use CM and at least 70% of these are informal constructions. This mean that they are built without proper technical advice and generally have a high seismic vulnerability. One way to reduce this vulnerability is by reinforcing the walls. However, despite the existence of some reinforcement methods in the market, not all of them can be applied massively because there are other parameters to take into account, as economical, criteria for seismic improvement, reinforcement ratio, etc. Therefore, in this paper the feasibility of using five reinforcement techniques has been studied and compared. These reinforcements are: welded mesh (WM), glass fiber reinforced polymer (GFRP), carbon fiber reinforced polymer (CFRP), steel bar wire mesh (CSM), steel reinforced grout (SRG). The Multi-Criteria Decision Making (MCDM) method can be useful to evaluate the most optimal strengthening technique for a fast, effective and massive use plan in Peru. The results of using MCDM with 10 criteria indicate that the Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) and Steel Reinforced Grout (SRG) methods are the most suitable for a massive reinforcement application in Lima.
Safe underground construction in a rock mass requires adequate ground investigation and effective determination of rock conditions. The estimation of rock mass behavior is difficult, because rock masses are innately anisotropic and heterogeneous at different scales and are affected by various environmental factors. Quantitative rock mass classification systems, such as the Q-system and rock mass rating, are widely used for characterization and engineering design. The measurement of rock classification parameters is subjective and can vary among observers, resulting in questionable accuracy. Geophysical investigation methods, such as seismic surveys, have also been used for ground characterization. Torsional shear wave propagation characteristics in cylindrical rods are equal to that in an infinite media. A probabilistic quantitative relationship between the Q-value and shear wave velocity is thus investigated considering long-wavelength wave propagation in equivalent continuum jointed rock masses. Individual Q-system parameters are correlated with stress-dependent shear wave velocities in jointed rocks using experimental and numerical methods. The relationship between the Q-value and the shear wave velocity is normalized using a defined reference condition. This relationship is further improved using probabilistic analysis to remove unrealistic data and to suggest a range of Q-values for a given wave velocity. The proposed probabilistic Q-value estimation is then compared with field measurements and cross-hole seismic test data to verify its applicability.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.6
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pp.25-32
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2002
In the seismic designing of bridges, the pile foundation of bridge piers generally have been modeled to have a fixed end for its convenience and conservative designing. The fixed-end assumption, however, produces very conservative results in terms of the pier forces. Therefore, many other design methods are evolved to consider the flexibility of the pile foundation. In this study, the response spectrum analysis was performed for a bridge pier having a pile foundation. The shear force, moment, and displacement, which occurred at the pier column under an earthquake loading, were compared to analyze the effects of the modeling method, soil condition and the input earthquake response spectrum. In most cases, the fixed-end model gives larger design forces than flexible foundation models. However, when a long period earthquake is applied to the bridge pier on a soft clay foundation, it is found that the flexible foundation models give larger design forces than the fixed-end model. In the end, the reliability of several flexible foundation models was verified by comparing their results with those of a numerical analysis that considers the soil-structure interaction phenomenon in a rigorous manner.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.53-60
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2002
It has been recognized that damage control must become a more explicit design consideration. In an effort to develop design methods based on performance it is clear that the evaluation of the inelastic response is required. The methods available to the design engineer today are nonlinear time history analyses, or monotonic static nonlinear analyses, or equivalent static analyses with simulated inelastic influences. Some codes proposed the capacity spectrum method based on the nonlinear static(pushover) analysis to determine earthquake-induced demand given the structure pushover curve. This procedure is conceptually simple but iterative and time consuming with some errors. This paper presents a nonlinear direct spectrum method to evaluate seismic Performance of structure, without iterative computations, given the structural initial elastic period and yield strength from the pushover analysis, especially for multi degree of freedom structures. The purpose of this paper is to investigate accuracy and confidence of this method from a point of view of various earthquakes and unloading stiffness degradation parameters.
In April 2008, KIGAM carried out an ocean-bottom seismometer (OBS) survey in the central Ulleung Basin where strong bottom simulating reflectors (BSRs) were revealed from previous surveys and some gas-hydrate samples were retrieved by direct sampling. The purpose of this survey is to estimate the velocity structure near the BSR in the gas hydrate prospect area using wide-angle seismic data recorded on the ocean-bottom seismometers. Along with the OBS survey, a 2-D seismic survey was performed whereby stratigraphic and preliminary velocity information was obtained. Two methods were applied to wide-angle data for estimating P wave velocity; one is velocity analysis in the $\tau$-p domain and the other is seismic traveltime inversion. A 1-D interval velocity profile was obtained by the first method, which was refined to layered velocity structure by the latter method. A layer stripping method was adopted for modeling and inversion. All velocity profiles at each OBS site clearly show velocity reversal at BSR depths due to the presence of gas hydrates. In addition, we could confirm high velocity in the column/chimney structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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