The difficulty in modeling complex nonlinear structures lies in the presence of significant sources of uncertainties mainly attributed to sudden changes in the structure's behavior caused by regular aging factors or extreme events. Quantifying these uncertainties and accurately representing them within the complex mathematical framework of Structural Health Monitoring (SHM) are significantly essential for system identification and damage detection purposes. This study highlights the importance of uncertainty quantification in SHM frameworks, and presents a comparative analysis between intrusive and non-intrusive techniques in quantifying uncertainties for SHM purposes through two different variations of the Kalman Filter (KF) method, the Ensemble Kalman filter (EnKF) and the Polynomial Chaos Kalman Filter (PCKF). The comparative analysis is based on a numerical example that consists of a four degrees-of-freedom (DOF) system, comprising Bouc-Wen hysteretic behavior and subjected to El-Centro earthquake excitation. The comparison is based on the ability of each technique to quantify the different sources of uncertainty for SHM purposes and to accurately approximate the system state and parameters when compared to the true state with the least computational burden. While the results show that both filters are able to locate the damage in space and time and to accurately estimate the system responses and unknown parameters, the computational cost of PCKF is shown to be less than that of EnKF for a similar level of numerical accuracy.
The military communication equipment is required the high reliability for operating adequate functions under severe conditions. This reliability is the essential element for the quality of the product, for the uncontrolled factors, such as the clearance, damage of the material, the reduction of stiffness, which are the designer is unable to handle. In this paper, the uncertainty for the dimension was supposed to the probability model for the military communication equipment, and the average of the objective function was minimized for reducing design uncertainty. The reliability-based design optimization which was implemented the limit state function was formulated into the mathematical model, so the reliable optimized structure was implemented than the base-line design.
The military communication equipment is required the high reliability for operating adequate functions under severe conditions. This reliability is the essential element for the quality of the product, for the uncontrolled factors, such as the clearance, damage of the material, the reduction of stiffness, which are the designer is unable to handle. In this paper, the uncertainty for the design was supposed to the probability model for the military communication equipment, and the average of the objective function was minimized for reducing design uncertainty. The reliability-based design optimization which was implemented the limit state function was formulated into the mathematical model, so the reliable optimized structure was implemented than the base-line design.
Rapid post-earthquake damage estimation of subway stations is particularly necessary to improve short-term crisis management and safety measures of urban subway systems after a destructive earthquake. The conventional Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) framework with constant earthquake occurrence rate is invalid to estimate the aftershock risk because of the time-varying rate of aftershocks and the uncertainty of mainshock-damaged state before the occurrence of aftershocks. This study presents a time-varying probabilistic seismic risk assessment framework for underground structures considering mainshock and aftershock hazards. A discrete non-omogeneous Markov process is adopted to quantify the time-varying nature of aftershock hazard and the uncertainties of structural damage states following mainshock. The time-varying seismic risk of a typical rectangular frame subway station is assessed under mainshock-only (MS) hazard and mainshock-aftershock (MSAS) hazard. The results show that the probabilities of exceeding same limit states over the service life under MSAS hazard are larger than the values under MS hazard. For the same probability of exceedance, the higher response demands are found when aftershocks are considered. As the severity of damage state for the station structure increases, the difference of the probability of exceedance increases when aftershocks are considered. PSDR=1.0% is used as the collapse prevention performance criteria for the subway station is reasonable for both the MS hazard and MSAS hazard. However, if the effect of aftershock hazard is neglected, it can significantly underestimate the response demands and the uncertainties of potential damage states for the subway station over the service life.
A major consideration in the design of tunnels in urban areas is the prediction of the ground movements and surface settlements associated with the tunneling operations. Excessive ground movements can damage adjacent building and utilities. In this paper, a neural network model is used to predict the maximum surface settlement, based on instrumented results from three separate EPB tunneling projects in Singapore. This paper demonstrates that by coupling the trained neural network model to a spreadsheet optimization technique, the reliability assessment of the settlement serviceability limit state can be carried out using the first-order reliability method. With this method, it is possible to carry out sensitivity studies to examine the effect of the level of uncertainty of each parameter uncertainty on the probability that the serviceability limit state has been exceeded.
This paper improves seismic fragility of a typical steel-concrete composite bridge with the deck-to-pier connection joint configuration at the concrete crossbeam (CCB). Based on the quasi-static test on a typical steel-concrete composite bridge model under the SEQBRI project, the damage states for both of the critical components, the CCB and the pier, are identified. The finite element model is developed, and calibrated using the experimental data to model the damage states of the CCB and the bridge pier as observed from the experiment of the test specimen. Then the component fragility curves for both of the CCB and the pier are derived and combined to develop the system fragility curves of the bridge. The uncertainty associated with the mean system fragility has been discussed and quantified. The study reveals that the CCB is more vulnerable than the pier for certain damage states and the typical steel-concrete composite bridge with CCB exhibits desirable seismic performance.
In seismic fragility and risk analysis, the definition of structural limit state (LS) capacities is of crucial importance. Traditionally, LS capacities are defined according to design code provisions or using deterministic pushover analysis without considering the inherent randomness of structural parameters. To assess the effects of structural randomness on LS capacities, ten structural parameters that include material strengths and gravity loads are considered as random variables, and a probabilistic pushover method based on a correlation-controlled Latin hypercube sampling technique is used to estimate the uncertainties in LS capacities for four typical reinforced concrete frame buildings. A series of ten LSs are identified from the pushover curves based on the design-code-given thresholds and the available damage-controlled criteria. The obtained LS capacities are further represented by a lognormal model with the median $m_C$ and the dispersion ${\beta}_C$. The results show that structural uncertainties have limited influence on $m_C$ for the LSs other than that near collapse. The commonly used assumption of ${\beta}_C$ between 0.25 and 0.30 overestimates the uncertainties in LS capacities for each individual building, but they are suitable for a building group with moderate damages. A low uncertainty as ${\beta}_C=0.1{\sim}0.15$ is adequate for the LSs associated with slight damages of structures, while a large uncertainty as ${\beta}_C=0.40{\sim}0.45$ is suggested for the LSs near collapse.
Among all the natural disasters, earthquakes are the most destructive calamities since they cause a plenty of injuries and economic losses leaving behind a series of signs of panic. The present study highlights the moment-curvature relationships for the structural elements such as beam and column elements and Non-Linear Static Pushover Analysis of RC frame structures since it is a very simplified procedure of non-linear static analysis. The highly popular model namely Mander's model and Kent and Park model are considered and then, seismic risk evaluation of RC building has been conducted using SAP 2000 version 17 treating uncertainty in strength as a parameter. From the obtained capacity and demand curves, the performance level of the structure has been defined. The seismic fragility curves were developed for the variations in the material strength and damage state threshold are calculated. Also the comparison of experimental and analytical results has been conducted.
Seismic performance of critical facilities has been focused on the structural components over the past decade. However, most earthquake damages were observed to the nonstructural components during and after the earthquakes. The primary objective of this research was to develop the seismic fragility of the piping system incorporating the nonlinear Tee-joint finite element model in the full scale piping configuration installed in critical facilities. The procedure for evaluating fragility curves corresponding to the first damage state was considered the effects of the top floor acceleration sensitivities for 5, 10, 15, and 20 story linear RC and steel building systems subjected to 22 selected ground motions as a function of ground motion uncertainties. The result of this study revealed that the conditional probability of failure of the piping system on the top floor in critical facilities did not increase with increased level of story height and in fact, story level in buildings can tune the fragilities between the building and the piping system.
하중 발생과정에 따른 누적피해의 선형뿐만 아니라 비선형 거동을 해석할 수 있는 추계학적 확률모형이 수립되었다. 여러 종류의 피해강도함수를 도입하여 내용년수의 파괴확률과 비선형 누적피해의 거동이 자세히 해석되었다. 특히 본 연구에서는 저항한계를 임의의 분포함수를 갖는 확률변수로 취급하여 한계상태의 불확실성을 고려하였다. 또한 피복재에 대한 피해수준을 이용하여 처음으로 추계학적 확률모형을 경사제에 적용하였다. 실험 자료와의 비교를 통해 추정된 경사제 피복재에 대해 피해강도함수를 이용하여 내용년수에 따른 파괴확률과 비선형 누적피해의 거동을 해석하였다. 마지막으로 해석 결과를 이용하여 경사제 피복재의 보수 보강 시점과 최소한의 보수 보강규모를 정량적으로 산정할 수 있는 예방적 유지관리 방법을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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