Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.2
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pp.89-95
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2013
Structures in a nuclear power system are designed to be elastic even under an earthquake excitation. However a structural component such as an isolator shows inelastic behavior inherently. For the seismic assessment of nonlinear structures, response history analysis should be performed. In this study, the response of base isolation system was analyzed by response history analysis for the seismic performance assessment. Firstly, several seismic assessment criteria for a nuclear power plant structure were reviewed for the nonlinear response history analysis. Based on these criteria, the spectrum matched ground motion generation method modifying a seed earthquake ground motion time history was adjusted. Using these spectrum matched accelerograms, the distribution of displacement responses of the simplified base isolation system was evaluated. The resulting seismic responses excited by the modified ground motion time histories and the synthesized time history generated by stochastic approach were compared. And the response analysis of the base isolation system considering the different intensities in each orthogonal direction was performed.
The theoretical background and capabilities of the developed program, SAR-CWF, for stochastic analysis of 3D reinforced-concrete shear wall-frame structures subject to seismic excitations is presented. Incremental stiffness and strength properties of system members are modeled by extended Roufaiel-Meyer hysteretic relation for bending while shear deformations for walls by Origin-Oriented hysteretic model. For the critical height of shear-walls, division to sub-elements is performed. Different yield capacities with respect to positive and negative bending, finite extensions of plastic hinges and P-${\delta}$ effects are considered while strength deterioration is controlled by accumulated hysteretic energy. Simulated strong motions are obtained from a Gaussian white-noise filtered through Kanai-Tajimi filter. Dynamic equations of motion for the system are formed according to constitutive and compatibility relations and then inserted into equivalent It$\hat{o}$-Stratonovich stochastic differential equations. A system reduction scheme based on the series expansion of eigen-modes of the undamaged structure is implemented. Time histories of seismic response statistics are obtained by utilizing the computer programs developed for different types of structures.
A nuclear energy has been one of the most important sources to securely supply electricity in South Korea. Its weight in the national electricity supply has kept increasing since the first nuclear reactor was built in 1978. The country relies on the nuclear approximately 31.4% in 2012 and it is expected to increase to 48.5% in 2024 based on the long-term electricity supply plan announced by the Korean government. However, Fukushima disaster due to 9.0 magnitude earthquake followed by the tsunami has raised deep concerns on the security of the nuclear power plants. The policy makers of the country are much interested in analyzing the cost structure of the power supply in the case that the nuclear is diminished from the current supply portion. This research uses a stochastic model that aims to evaluate the long-term power supply plan and provides an extensive cost analysis on the changes of the nuclear power supply. To evaluate a power supply plan, the research develops a few plausible energy mix scenarios by changing the installed capacities of energy sources from the long-term electricity supply plan. The analyses show that the nuclear is still the most attractive energy source since its fuel cost is very much stable compared to the other sources. Also the results demonstrate that a large amount of financial expenditure is additionally required every year if Koreans agree on the reduction of nuclear to increase national security against a nuclear disaster.
Seismic isolation systems decouple structures from ground motions to protect them from seismic events. Seismic isolation devices have been implemented in many full-scale buildings and bridges because of their simplicity, economic effectiveness, inherent stability, and reliability. It is well known that the most uncertain aspect for obtaining the accurate responses of an isolated structure from seismic events is the seismic loading itself. It is needed to know the seismic response distributions of the isolated structure resulting from the randomness of earthquakes when probabilistic designing or probabilistic evaluating an isolated structure. Earthquake time histories are useful and often an essential element for designing or evaluating isolated structures. However, it is very challenging to gather the design and evaluation information for an isolated structure from many seismic analyses. In order to evaluate the seismic performance of an isolated structure, numerous nonlinear dynamic analyses need to be performed, but this is impractical. In this paper, the concept of the stochastic response database (SRD) is defined to obtain the seismic response distributions of an isolated structure instantaneously, thereby significantly reducing the computational efforts. An equivalent model of the isolated structure is also developed to improve the applicability and practicality of the SRD. The effectiveness of the proposed methodology is numerically verified.
Peak response is a more suitable index than mean response in the light of structural safety. In this study, a controller optimization method is proposed to restrict peak responses of building structures subject to earthquake excitations, which are modeled as partially stationary stochastic process. The constraints are given with specified failure probabilities of peak responses. LQR is chosen to assure stability in numerical process of optimization. Optimization problem is formulated with weightings on controlled outputs as design variables and gradients of objective and constraint functions are derived. Full state feedback controllers designed by the proposed method satisfy various design objectives and output feedback controllers using LQG also yield similar results without significant performance deterioration.
A theoretical procedure to estimate spectral displacement of a hysteretic oscillator with bilinear stiffness excited by band-limited excitation is presented. The stochastic method of ground-motion simulation is combined with the random vibration theory to compute linear and nonlinear structural response. The response is obtained by computing the root-mean-square oscillator response using dissipation energy balancing by integrating over all energy levels of system weighting with the stationary probability density of the energy. The results are presented in a convenient form, and the accuracy of the procedure is assessed by comparison with results obtained with the time-domain method using the recorded data. The model shows little or no bias at the structural period of engineering interest.
In this paper, a dynamic analysis based on the fuzzy set theory is presented as a possible complementary tool to the classical stochastic methods for dynamic analyses. Material parameters of a structure are influenced by uncertainties and therefore they are considered to be fuzzy quantities with given distributions, that means fuzzy numbers with given membership functions. The fuzzy dynamic analysis is conducted with help of fuzzy arithmetic defined on the so-called ${\alpha}$-cuts. The results of the analysis are also obtained in the form of fuzzy numbers, which compared to the stochastic methods is less computationaly expensive while at the same time they still provide information about the distribution of a quantity. This method is demonstrated on an analysis of a two-dimensional frame subjected to possible seismic load, where the uncertain eigenmodes and eigenfrequencies are used in the modal analysis.
A Stochastic line source model is developed to simulate the seismic wave field generated during the rupture propagation process along a fault plane of which length is much larger than its width. The fault plane is assumed to consist of randomly distributed slip zones and barriers and each slip zone is modeled as a point source. By combining the newly developed source model with wave propagation analysis method in a layered 3-D visco-elastic half space, synthetic seismograms are obtained. The calculated accelerograms due to vertical dip slip and strike slip line sources are presented.
The problem of optimal stochastic GA control of the system with uncertain parameters and unsure noise covariates is studied. First, without knowing the explicit form of the dynamic system, the open-loop determinism problem with path optimization is solved. Next, Gaussian linear quadratic controllers (LQG) are designed for linear systems that depend on the nominal path. A robust genetic neural network (NN) fuzzy controller is synthesized, which consists of a Kalman filter and an optimal controller to assure the asymptotic stability of the discrete control system. A simulation is performed to prove the suitability and performance of the recommended algorithm. The results indicated that the recommended method is a feasible method to improve the performance of active tuned mass damper (ATMD) shear buildings under random earthquake disturbances.
In comparison with the existing static reliability analysis methods, the dynamic reliability analysis(DyRA) method is more suitable for estimating the failure probability of a structure subjected to earthquake excitations because it can take into account the frequency characteristics and damping capacity of the structure. However, the DyRA is known to have an issue of numerical stability due to the uncertainty in random sampling of the earthquake excitations. In order to solve this numerical stability issue in the DyRA approach, this study proposed two earthquake-scale factors. The first factor is defined as the ratio of the first earthquake excitation over the maximum value of the remaining excitations, and the second factor is defined as the condition number of the matrix consisting of the earthquake excitations. Then, we have performed parametric studies of two factors on numerical stability of the DyRA method. In illustrative example, it was clearly confirmed that the two factors can be used to verify the numerical stability of the proposed DyRA method. However, there exists a difference between the two factors. The first factor showed some overlapping region between the stable results and the unstable results so that it requires some additional reliability analysis to guarantee the stability of the DyRA method. On the contrary, the second factor clearly distinguished the stable and unstable results of the DyRA method without any overlapping region. Therefore, the second factor can be said to be better than the first factor as the criterion to determine whether or not the proposed DyRA method guarantees its numerical stability. In addition, the accuracy of the numerical analysis results of the proposed DyRA has been verified in comparison with those of the existing first-order reliability method(FORM), Monte Carlo simulation(MCS) method and subset simulation method(SSM). The comparative results confirmed that the proposed DyRA method can provide accurate and reliable estimation of the structural failure probability while maintaining the superior numerical efficiency over the existing methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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