Typical floor systems in contemporary tall buildings consist of reinforced concrete or composite metal deck over framing members and account for a majority of the structural weight of the building. The use of high-density materials, such as reinforced concrete and steel, increases the weight of floor systems, reducing the system's overall efficiency. With the introduction of high-performance materials, mainly mass timber products, and fiber-reinforced composites, in the construction industry, designers and engineers have multiple options to choose from when selecting structural materials. This paper discusses the application of mass timber and carbon fiber composites as structural materials in floor systems of tall buildings. The research focused on a comparative analysis of the structural system efficiency for five different design options for tall building floor systems. Finite Element Analysis (FEA) method was adopted to develop a simulation framework, and parametric structural models were simulated to evaluate the structural performance under specific loading conditions. Simulation results revealed the advantages of lightweight structural materials to improve system efficiency and reduce material consumption. The impact of mechanical properties of materials, loading conditions, and issues related to fire engineering and construction were briefly discussed, and future research topics were identified in conclusion.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1996.10a
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pp.322-329
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1996
The objective of this study is to develop the CAD system for 2 cell box culvert by ultimate strength design method. C-language & AutoCAD Rl2 were used to create user-friendly computing environment. Consequently, users can easily design 2 cell box culvert under the various conditions, such as design load, total fill depth, underground water level, strength of concrete, and so forth. This system is believed to improve the efficiency and economy by the batch processing of structural analysis, quick drafting and computation of material quantity in the 2 cell box culvert design.
Kim, Jae-Sung;Lee, Sang-Min;Lee, Jae-Yeol;Jeong, Hee-Seok;Lee, Seung-Min
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.17
no.2
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pp.123-131
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2012
The requirements for computational resources to perform the structural analysis are increasing rapidly. The size of the current analysis problems that are required from practical industry is typically large-scale with more than millions degrees of freedom (DOFs). These large-scale analysis problems result in the requirements of high-performance analysis codes as well as hardware systems such as supercomputer systems or cluster systems. In this paper, the pre- and post-processing system for supercomputing based large-scale structural analysis is presented. The proposed system has 3-tier architecture and three main components; geometry viewer, pre-/post-processor and supercomputing manager. To analyze large-scale problems, the ADVENTURE solid solver was adopted as a general-purpose finite element solver and the supercomputer named 'tachyon' was adopted as a parallel computational platform. The problem solving performance and scalability of this structural analysis system is demonstrated by illustrative examples with different sizes of degrees of freedom.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.1
no.1
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pp.113-124
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1997
Based on the recent developments of the reliability-based structural analysis and design as well as the extending knowledge on the probabilistic characteristics of load and resistances, the probability based design criteria have been successfully developed for many standards. Since the probabilistic characteristics depend highly on the local load and resistances, it is recognized to develop the design criterion compatible with domestic requirements. The existing optimum design methods, which are generally based on the structural theory and certain engineering exprience, do not realistically consider the uncertainties of load and resistances and the basic reliability concepts. This study is directed to propose a optimum design based Expected Total Cost Minimization on two-way slab system which could possibly replace optimum design based traditional provisions of the current code, based on the AFOSM reliablity theory.
Design sensitivity analysis for nonlinear structural problems has been emerged in the last decade as a glowing area of engineering research. As a result, theoretical formulations and computational algorithms have already developed for design sensitivity of nonlinear structural problems. There is not enough research for practical nonlinear problems using multi-element, due to difficulties of implementation into FEA. Therefore, nonlinear response analysis for stiffened shell which consists of Mindlin plate and Timoshenko beam, was considered. Specially, it presents the backward-Euler method which is adopted to describe an exact yield state in the stress computation procedure. Then, design sensitivity analysis of nonlinear structures, particularly elasto-perfectly-plastic structure, is developed using direct differentiation method. The accuracy of the developed sensitivity analysis was compared with the central finite difference method. Finally, on the basis of above results, design improvement for stiffened shell is suggested.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.43
no.2
s.146
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pp.197-205
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2006
In general, brackets found at tank boundary are design according to the Classification Society Rule. Since much man power is needed in manufacturing the brackets stiffened by flange, it is necessary to suggest alternative designs, of which flanges are removed, through the rigorous structural analysis. In this paper non-linear structural analysis for brackets with and/or without flange have been carried out to examine their structural behavior and ultimate strengths. Alternative designs for brackets are suggested based on the results of ultimate strength analysis so that the alternative brackets have the similar level of strength and stiffness to the original brackets. It has been seen that the structural safety of alternative brackets proposed in this paper are beyond the appropriate level. The primary benefit of replacing the original brackets by the alternatives is the reduction of man power in manufacturing brackets and 10 to 15% weight saving can be expected in additional. This paper ends with some comments about the extension of the present study.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.12
no.3
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pp.385-396
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1999
In the process of structural design for large-scale structures with several thousands of degrees of freedom, a plethora of structural calculations with large amount of data storage are required to obtain the forces and displacements of the members. However, current computational environment with single microprocessor such as a personal computer or a workstation is not capable of generating a high-level of efficiency in structural analysis and design process for large-scale structures. In this paper, a high-performance parallel computing system interconnected by a network of personal computers is proposed for an efficient structural analysis. Two distributed structural analysis algorithms are developed in the form of distributed or parallel preconditioned conjugate gradient (DPCG) method. To enhance the performance of the developed distributed structural analysis algorithms, the number of communications and the size of data to be communicated are minimized. These algorithms are applied to the structural analyses of three large space structures as well as a 144-story tube-in-tube framed structure.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.4
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pp.177-184
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2001
In this study, three most distinct types of general rigid connections are included in the modelling, with is implemented into a computer code. The cost, functions of connections are constructed by using the estimated unit cost of bolting, welding and connection-steel elements incorporating all the effect of materials, labor, and fabrication work. Bused on the recent developments of the reliability-based structural analysis and design as well as the extending knowledge on the probabilistic characteristics of load and resistances, the probability based design criteria have been successfully developed for many standards. Since the probabilistic characteristics depend highly on the local load and resistances, it is recognized to develop the design criterion compatible with domestic requirements. The existing optimum design methods, which are generally based on the structural theory and certain engineering experience, do not realistically consider the uncertainties of load and resistances and the basic reliability concepts.
Offshore oil and gas process plants are exposed to hazardous accidents such as explosion and fire, so that the structural components should resist such accidental loads. Given the possibilities of thousands of different scenarios for the occurrence of an accidental hazard, the best way to predict a reasonable size of a specific accidental load would be the employment of a probabilistic approach. Having the fact that a specific procedure for probabilistic accidental hazard analysis has not yet been established especially for explosion and fire hazards, it is widely accepted that engineers usually take simple and conservative figures in assuming uncertainties inherent in the procedure, resulting either in underestimation or more likely in overestimation in the topside structural design for offshore plants. The variation in the results of a probabilistic approach is determined by the assumptions accepted in the procedures of explosion probability computation, explosion analysis, and structural analysis. A design overpressure load for a sample offshore plant is determined according to the proposed probabilistic approach in this study. CFD analysis results using a Flame Acceleration Simulator, FLACS_v9.1, are utilized to create an overpressure hazard curve. Moreover, the negative impulse and frequency contents of a blast wave are considerably influencing structural responses, but those are completely ignored in a widely used triangular form of blast wave. An idealistic blast wave profile deploying both negative and positive pulses is proposed in this study. A topside process module and piperack with blast wall are 3D FE modeled for structural analysis using LS-DYNA. Three different types of blast wave profiles are applied, two of typical triangular forms having different impulse and the proposed load profile. In conclusion, it is found that a typical triangular blast load leads to overestimation in structural design.
In this study, an optimal structural design framework has been developed for the structural design of composite helicopter blades. The optimal design framework is constructed using PSGA (Particle Swarm assisted Genetic Algorithm), which combines the genetic algorithm and particle swarm optimizer. The optimization process consists of a finite element (FE) modeling over the blade section, two-dimensional (2D) cross-sectional FE analysis, and 1D rotating blade analysis. In the design process, the geometric curves and surfaces are formed using the B-spline scheme while discretizing the sections via a FE mesh generation program Gmsh. The blade cross-sections are created in accordance with the design variables when performing the blade structural analysis. The proposed optimization design framework is applied to a modernization of the HART II (Higher-harmonic Aeroacoustics Rotor Test II) blades. It is demonstrated that an improved blade design is reached through the current optimization framework with the satisfaction of all design requirements set for the study.
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