One of the most serious promblems in the concrete structures is cracking failure due to the several complicated reasons. These cracks are not only serious structural problems, but also lower the durability and deteriorate the structural shape, which cause the reinforcement rust in the open air and sea water. An analytical study was undertaken to investigate the cracking problems in the one of concrete caissons using Finite Element Method. This caisson is modelled with plate elements and truss elements for the walls and lifting cables respectively and analyzed in the every construction stages, such as lifting, moving, sinking, filling, towing, setting, and proposed reasonable construction methods for the concrete caisson structures.
The sensitivity-based finite element model updating method has received increasing attention in damage detection of structures based on measured modal parameters. Finding an optimization technique with high efficiency and fast convergence is one of the key issues for model updating-based damage detection. A new simple and computationally efficient optimization algorithm is proposed and applied to damage detection by using finite element model updating. The proposed method combines the Gauss-Newton method with region truncation of each iterative step, in which not only the constraints are introduced instead of penalty functions, but also the searching steps are restricted in a controlled region. The developed algorithm is illustrated by a numerically simulated 25-bar truss structure, and the results have been compared and verified with those obtained from the trust region method. In order to investigate the reliability of the proposed method in damage detection of structures, the influence of the uncertainties coming from measured modal parameters on the statistical characteristics of detection result is investigated by Monte-Carlo simulation, and the probability of damage detection is estimated using the probabilistic method.
In the product design process computer-aided engineering and optimization tools are widely utilized in order to reduce the total development time and cost. Since several simulation tools are involved in the process, information losses, omissions, or errors are common and the importance of seamless information exchange among the tools has been increased. In this study ISO STEP standards are adopted to represent the neutral format for CAE/CAO information exchange. The schema of AP209 is used to define the information of finite element analysis and the new schema is proposed to describe the information of structural optimization based on the STEP methodology. The schema is implemented by EXPRESS, information modeling language, and ST-Developer is employed to generate C++ classes and STEP Rose Library by using the schema denoted. To substantiate the proposed approach, the information access interfaces of the finite element modeling software (FEMAP), structural optimization software (GENESIS) and in-house topology optimization program are developed. Examples of the size optimization of a three-bar truss and topology optimization of a MBB beam are shown to validate the information exchange of finite element analysis and structural optimization using STEP standards.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.1
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pp.195-205
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2001
An analytical finite element approach to nonlinear behavior of reinforced concrete shear walls with opening under monotonic loading was presented in this paper. In order to achieve the objectives of present paper, the orthogonal anisotropic models for cracked reinforced concrete element based on smeared crack concept were used as the nonlinear material models of biaxial state of stress. The stiffness of cracked concrete was evaluated through the combined use of tension and compression stiffness models in and parallel directions of crack, respectively and shear transfer effect due to the aggregate interlocking at crack surface. The stress and strain of reinforcement in concrete was evaluated using the average stress and average strain relation with bond effect. based on smeared crack concept. The diagonal reinforcing bar was modeled using truss element with bond effect. A special significance of diagonal reinforcement near opening was given to the shear wall with opening and an effective distribution of diagonal reinforcement was presented in order to give an ultimate strength increment as well as a crack control.
Recently, an indirect displacement estimation method using data fusion of acceleration and strain (i.e., acceleration-strain-based method) has been developed. Though the method showed good performance on beam-like structures, it has inherent limitation in applying to more general types of bridges that may have complex shapes, because it uses assumed analytical (sinusoidal) mode shapes to map the measured strain into displacement. This paper proposes an improved displacement estimation method that can be applied to more general types of bridges by building the mapping using the finite element model of the structure rather than using the assumed sinusoidal mode shapes. The performance of the proposed method is evaluated by numerical simulations on a deck arch bridge model and a three-span truss bridge model whose mode shapes are difficult to express as analytical functions. The displacements are estimated by acceleration-based method, strain-based method, acceleration-strain-based method, and the improved method. Then the results are compared with the exact displacement. An experimental validation is also carried out on a prestressed concrete girder bridge. The proposed method is found to provide the best estimate for dynamic displacements in the comparison, showing good agreement with the measurements as well.
Giresini, Linda;Sassu, Mauro;Butenweg, Christoph;Alecci, Valerio;De Stefano, Mario
Earthquakes and Structures
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v.12
no.4
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pp.409-423
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2017
This paper proposes a quick and simplified method to describe masonry vaults in global seismic analyses of buildings. An equivalent macro-element constituted by a set of six trusses, two for each transverse, longitudinal and diagonal direction, is introduced. The equivalent trusses, whose stiffness is calculated by fully modeled vaults of different geometry, mechanical properties and boundary conditions, simulate the vault in both global analysis and local analysis, such as kinematic or rocking approaches. A parametric study was carried out to investigate the influence of geometrical characteristics and mechanical features on the equivalent stiffness values. The method was numerically validated by performing modal and transient analysis on a three naves-church in the elastic range. Vibration modes and displacement time-histories were compared showing satisfying agreement between the complete and the simplified models. This procedure is particularly useful in engineering practice because it allows to assess, in a simplified way, the effectiveness of strengthening interventions for reducing horizontal relative displacements between vault supports.
Seyed Milad Hosseini;Mohamad Mohamadi Dehcheshmeh;Gholamreza Ghodrati Amiri
Structural Engineering and Mechanics
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v.87
no.6
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pp.555-574
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2023
An efficient optimization algorithm and damage-sensitive objective function are two main components in optimization-based Finite Element Model Updating (FEMU). A suitable combination of these components can considerably affect damage detection accuracy. In this study, a new hybrid damage-sensitive objective function is proposed based on combining two different objection functions to detect the location and extent of damage in structures. The first one is based on Generalized Pseudo Modal Strain Energy (GPMSE), and the second is based on the element's Generalized Flexibility Matrix (GFM). Four well-known population-based metaheuristic algorithms are used to solve the problem and report the optimal solution as damage detection results. These algorithms consist of Cuckoo Search (CS), Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO), Moth Flame Optimization (MFO), and Jaya. Three numerical examples and one experimental study are studied to illustrate the capability of the proposed method. The performance of the considered metaheuristics is also compared with each other to choose the most suitable optimizer in structural damage detection. The numerical examinations on truss and frame structures with considering the effects of measurement noise and availability of only the first few vibrating modes reveal the good performance of the proposed technique in identifying damage locations and their severities. Experimental examinations on a six-story shear building structure tested on a shake table also indicate that this method can be considered as a suitable technique for damage assessment of shear building structures.
Lee, Jun Seok;Kim, Moon Young;Han, Man Yop;Kim, Sung Bo;Kim, Nak Kyung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.18
no.6
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pp.727-735
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2006
In this paper, a geometric nonlinear analysis procedure of the beam-column element including multi-noded cable element in extension of companion paper (Kim et al., 2005) is presented. First, a stiffness matrix was derived about the beam-column element that considers the second effect of the initial force supposing the curved shape at each time-step, with Hermitian polynomials as the shape function. Second, the multi-noded cable element was also subjected to the tangent stiffness matrix. To verify the geometric nonlinearity of this newly developed multi-noded cable-truss element, the Innovative Prestressed Support (IPS) system using this theory was analysed by geometric nonlinear method and the results were compared with those produced by linear analysis.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.6A
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pp.625-639
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2009
Experimental and analytical studies are performed on the mechanical behavior of concrete-filled tubular(CFT) truss girders for different f/L ratios. Bending tests are conducted on two CFT truss girder specimens to determine fundamental structural characteristics such as the strength and deformation properties. Nonlinear material models for CFT members subjected to an axial compressive force are compared in this paper by using the nonlinear finite element program, ABAQUS. Previous researchers have proposed several nonlinear stress-strain models of confined concrete. In this study, the nonlinear analyses are performed applying several stress-strain models for confined concrete proposed by Mander, Sakino, Han, Susantha and Ellobody, and the results are compared with the experimental results in terms of load-deflection and load-strain relationships. Based on the comparisons of the load-deflection relationships, the models proposed by Mander and Susantha provide a maximum load about 12.0~13.8% higher and that by Sakino gives a maximum load about 7.6% higher than the experimental results. The models proposed by Han and Ellobody give a maximum load only about 0.2~1.2% higher than the test results, showing the best agreement among the proposed stress-strain models. However, the load-strain relations predicted by the existing models generally provide conservative results exhibiting larger strains than the experimental data.
In most framed structures the nonlinearities and the damages are localized, extending over a limited length of the structural member. In order to capture the details of the local damage, the segments of a member that have entered the nonlinear range may need to be analyzed using the three-dimensional element (3D) model whereas the rest of the member can be analyzed using the simpler one-dimensional (1D) element model with fewer degrees of freedom. An Element-Coupling model was proposed to couple the small scale solid 3D elements with the large scale 1D beam elements. The mixed dimensional coupling is performed imposing the kinematic coupling hypothesis of the 1D model on the interfaces of the 3D model. The analysis results are compared with test results of a reinforced concrete pipe column and a structure consisting of reinforced concrete columns and a steel space truss subjected to static and dynamic loading. This structure is a reduced scale model of a direct air-cooled condenser support platform built in a thermal power plant. The reduction scale for the column as well as for the structure was 1:8. The same structures are also analyzed using 3D solid elements for the entire structure to demonstrate the validity of the Element-Coupling model. A comparison of the accuracy and the computational effort indicates that by the proposed Element-Coupling method the accuracy is almost the same but the computational effort is significantly reduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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