Semi-active isolation systems based on leverage-type stiffness control strategies have been widely studied. The main concept behind this type of system is to adjust the stiffness in the isolator to match the fundamental period of the isolated system by using a simple leverage mechanism. Although this system achieves high performance under far-field earthquakes, it is unsuitable for near-fault strong ground motion. To overcome this problem, this study considers the potential energy effect in the control law of the semi-active isolation system. The minimal energy weighting (MEW) between the potential energy and kinetic energy was first optimized through a series of numerical simulations. Two MEW algorithms, namely generic and near-fault MEW control, were then developed to efficiently reduce the structural displacement responses. To demonstrate the performance of the proposed method, a two-degree-of-freedom structure was employed as a benchmark. Numerical results indicate that the dynamic response of the structure can be effectively dampened by the proposed MEW control under both far-field and near-fault earthquakes, whereas the structural responses resulting from conventional control methods may be greater than those for the purely passive control method. Moreover, according to experimental verifications, both the generic and near-fault MEW control modes yielded promising results under impulse-like earthquakes. The practicability of the proposed control algorithm was verified.
System identification is regarded as the most basic technique for structural health monitoring to evaluate structural integrity. Although many system identification techniques extracting mode information (e.g., mode frequency and mode shape) have been proposed so far, it is also desired to identify physical parameters (e.g., stiffness and damping). As for high-rise buildings subjected to long-period ground motions, system identification for evaluating only the shear stiffness based on a shear model does not seem to be an appropriate solution to the system identification problem due to the influence of overall bending response. In this paper, a system identification algorithm using a shear-bending model developed in the previous paper is revised to identify both shear and bending stiffnesses. In this algorithm, an ARX (Auto-Regressive eXogenous) model corresponding to the transfer function for interstory accelerations is applied for identifying physical parameters. For the experimental verification of the proposed system identification framework, vibration tests for a 3-story steel mini-structure are conducted. The test structure is specifically designed to measure horizontal accelerations including both shear and bending responses. In order to obtain reliable results, system identification theories for two different inputs are investigated; (a) base input motion by a modal shaker, (b) unknown forced input on the top floor.
This paper addresses the finite strip formulations for the stability analysis of viscoelastic composite plates with variable thickness in the transverse direction, which are subjected to in-plane forces. While the finite strip method is fairly well-known in the buckling analysis, hitherto its direct application to the buckling of viscoelastic composite plates with variable thickness has not been investigated. The equations governing the stiffness and the geometry matrices of the composite plate are solved in the time domain using both the higher-order shear deformation theory and the method of effective moduli. These matrices are then assembled so that the global stiffness and geometry matrices of a moderately thick rectangular plate are formed which lead to an eigenvalue problem that is solved to determine the magnitude of critical buckling load for the viscoelastic plate. The accuracy of the proposed model is verified against the results which have been reported elsewhere whilst a comprehensive parametric study is presented to show the effects of viscoelasticity parameters, boundary conditions as well as combined bending and compression loads on the critical buckling load of thin and moderately thick viscoelastic composite plates.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.6
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pp.113-122
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2003
Topology optimization is begun with layout optimization that is attributed to Rozvany and Prager of the 1960's. They claimed that structure was transformed into truss connecting all the nodes of finite element and optimized by control of its sectional modulus. But, this method is partial topology optimization. General layout optimal design appliable to continum structure was proposed by Bendsoe and Kikuchi in 1988. Topology optimization expresses material stiffness of structure into function of arbitrary variable. If this variable is 1, material exists but if this variable is 0, material doesn't exist. Therefore, topology optimization searches the distribution function of material stiffness for structure. There are a few researchs for simple engineering problem such as topology optimization of square plane structure or truss structure. So, This study applied to topology optimization of table liner for vertical roller mill that is the largest scale in the world. After table liner decreased by 20% of original weight, the structure analysis for first optimized model was performed.
Estimating seismic displacements has a great importance for foundations on or adjacent to slope surfaces. However, dynamic solution of the problem has received little attention by previous researchers. This paper presents a new analytical model to determine seismic displacements of the shallow foundations adjacent to slopes. For this purpose, a dynamic equilibrium equation is written for the foundation with failure wedge. Stiffness and damping at the sliding surface are considered variable and a simple method is proposed for its estimation. Finally, for different failure surfaces, the calculated dynamic displacement and the surfaces with maximum strain are selected as the critical failure surface. Analysis results are presented as curves for different slope angles and different foundation distances from edge of the slope and are then compared with the experimental studies and software results. The comparison shows that the proposed model is capable of estimating seismic displacement of the shallow foundations adjacent to slopes. Also, the results demonstrate that, with increased slope angle and decreased foundation distances from the slope edge, seismic displacement increases in a non-linear trend. With increasing the slope angle and failure wedge angle, maximum strain of failure wedge increases. In addition, effect of slope on foundation settlement could be neglected for the foundation distances over 3B to 5B.
Neglecting the real joint behaviour in frame analysis may result in unrealistic predictions of the response and reliability of steel frames. The reliability of the prediction of main joint properties according to the component method (Eurocode 3-Part 1.8) still remains open to further investigation. The first step toward the solution is to compare the theoretical expressions given in EN 1993-1-8 and the experimental results. With that goal in mind six nominally the same, but really different specimens of welded beam-to-column joints subjected to static load were tested. The specimens present a combination of nominally identical structural elements produced in different European mills. This paper provides these tests, as well as their detailed evaulation and interpretation. All three joint structural properties (rotational stiffness, moment resistance and rotation capacity) have been considered. Four models for determining the plastic resistance out of experimental Mj-${\phi}$ curves have been applied. The results that have been discussed in detail, point to the fact that EN 1993-1-8 underestimates the real structural properties of the tested type of joint, as well as to the conclusion that detailed research of this problem needs to be conducted using the probabilistic reliability methods.
In this paper the geometrically nonlinear continuum plate finite element model, hitherto not reported in the literature, is developed using the total Lagrange formulation. With the layerwise displacement field of Reddy, nonlinear Green-Lagrange small strain large displacements relations (in the von Karman sense) and linear elastic orthotropic material properties for each lamina, the 3D elasticity equations are reduced to 2D problem and the nonlinear equilibrium integral form is obtained. By performing the linearization on nonlinear integral form and then the discretization on linearized integral form, tangent stiffness matrix is obtained with less manipulation and in more consistent form, compared to the one obtained using laminated element approach. Symmetric tangent stiffness matrixes, together with internal force vector are then utilized in Newton Raphson's method for the numerical solution of nonlinear incremental finite element equilibrium equations. Despite of its complex layer dependent numerical nature, the present model has no shear locking problems, compared to ESL (Equivalent Single Layer) models, or aspect ratio problems, as the 3D finite element may have when analyzing thin plate behavior. The originally coded MATLAB computer program for the finite element solution is used to verify the accuracy of the numerical model, by calculating nonlinear response of plates with different mechanical properties, which are isotropic, orthotropic and anisotropic (cross ply and angle ply), different plate thickness, different boundary conditions and different load direction (unloading/loading). The obtained results are compared with available results from the literature and the linear solutions from the author's previous papers.
This paper presents an integrated wind-induced dynamic analysis and computer-based design optimization technique for minimizing the structural cost of general tall buildings subject to static and dynamic serviceability design criteria. Once the wind-induced dynamic response of a tall building structure is accurately determined and the optimal serviceability design problem is explicitly formulated, a rigorously derived Optimality Criteria (OC) method is to be developed to achieve the optimal distribution of element stiffness of the structural system satisfying the wind-induced drift and acceleration design constraints. The effectiveness and practicality of the optimal design technique are illustrated by a full-scale 60-story building with complex 3D mode shapes. Both peak resultant acceleration criteria and frequency dependent modal acceleration criteria are considered and their influences on the optimization results are highlighted. Results have shown that the use of various acceleration criteria has different implications in the habitability evaluations and subsequently different optimal design solutions. The computer based optimization technique provides a powerful tool for the lateral drift and occupant comfort design of tall building structures.
The stud shear connector is the main force transfer member in the steel-concrete composite member, and the mechanical behavior is very complicated in the concrete. The concrete around the stud is subjected to the pry-out local pressure concentration of the stud, which can easily produce splitting mirco-cracks. In order to solve the problem of pry-out local splitting of stud shear connector, a kind of stud shear connector with constraint measure is proposed in this paper. Through the push-out test, the interface shear behavior of the new stud shear connector between steel and concrete flange plate was studied, and the difference between the new stud shear connector and the traditional stud connector was compared. The results show that the stud shear connector with constraint measure can effectively avoid the adverse effect of local pressure splitting by relying on its own constraint measure. The shear stiffness of the interface between steel and concrete flange plates is greatly improved, which provides a theoretical basis for the design of strong connection coefficient of steel-concrete composite structures.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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