In this paper, an innovative procedure is proposed for the seismic design of reinforced concrete frame structures. The main contribution of the proposed procedure is to minimize the construction cost, considering the uniform damage distribution over the height of structure due to earthquake excitations. As such, this procedure is structured in the framework of an optimization problem, and the initial construction cost is chosen as the objective function. The aim of uniform damage distribution is reached through a design constraint in the optimization problem. Since this aim requires defining allowable degree of damage, a damage pattern based on the concept of global collapse mechanism is presented. To show the efficiency of the proposed procedure, the uniform damage-based optimum seismic design is compared with two other seismic design procedures, which are the strength-based optimum seismic design and the damage-based optimum seismic design. By using the three different seismic design methods, three reinforced concrete frames including six-, nine-, and twelve-story with three bays are designed optimally under a same artificial earthquake. Then, to show the effects of the uniform damage distribution, all three optimized frames are used for seismic damage analysis under a suite of earthquake records. The results show that the uniform damage-based optimum seismic design method renders a design that will suffer less damage under severe earthquakes.
This article presents a computationally efficient framework for multi-objective seismic design optimization of steel moment-resisting frame (MRF) structures based on the nonlinear dynamic analysis procedure. This framework employs the uniform damage distribution philosophy to minimize the weight (initial cost) of the structure at different levels of damage. The preliminary framework was recently proposed by the authors based on the single excitation and the nonlinear static (pushover) analysis procedure, in which the effects of record-to-record variability as well as higher-order vibration modes were neglected. The present study investigates the reliability of the previous framework by extending the proposed algorithm using the nonlinear dynamic design procedure (optimization under multiple ground motions). Three benchmark structures, including 4-, 8-, and 12-story steel MRFs, representing the behavior of low-, mid-, and high-rise buildings, are utilized to evaluate the proposed framework. The total weight of the structure and the maximum inter-story drift ratio (IDRmax) resulting from the average response of the structure to a set of seven ground motion records are considered as two conflicting objectives for the optimization problem and are simultaneously minimized. The results of this study indicate that the optimization under several ground motions leads to almost similar outcomes in terms of optimization objectives to those are obtained from optimization under pushover analysis. However, investigation of optimal designs under a suite of 22 earthquake records reveals that the damage distribution in buildings designed by the nonlinear dynamic-based procedure is closer to the uniform distribution (desired target during the optimization process) compared to those designed according to the pushover procedure.
In this paper, an inverse approach based on uniform load surface (ULS) is presented for structural damage localization and quantification. The ULS is excellent approximation for deformed configuration of a structure under distributed unit force applied on all degrees of freedom. The ULS make use of natural frequencies and mode shapes of structure and in mathematical point of view is a weighted average of mode shapes. An objective function presented to damage detection is discrepancy between the ULS of monitored structure and numerical model of structure. Solving this objective function to find minimum value yields damage's parameters detection. The teaching-learning based optimization algorithm has been employed to solve inverse problem. The efficiency of present damage detection method is demonstrated through three numerical examples. By comparison between proposed objective function and another objective function which make use of natural frequencies and mode shapes, it is revealed present objective function have faster convergence and is more sensitive to damage. The method has good robustness against measurement noise and could detect damage by using the first few mode shapes. The results indicate that the proposed method is reliable technique to damage detection in structures.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.1
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pp.20-31
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2014
This paper deals with the development of a realistic shape optimization of damaged columns that are subjected to conservative and non-conservative forces, using the Genetic Algorithm (GA). The analysis is based on the design of the most optimized shape of the column under the constraint of constant weight, considering the Static, Vibrational, and Flutter characteristics. Under the action of conservative and non-conservative longitudinal forces, an elastic column loses its stability. A numerical analysis based on FEM has been performed on a uniform damaged column, to compute the fundamental buckling load, vibration frequency, and flutter load, under various end restraints. An optimization search based on the Genetic Algorithm is then executed, to find the optimal shape design of the column. The optimized column references the one having the highest buckling load, highest vibration frequency, and highest flutter load, among all the possible shapes of the column, for a given volume. A comparison is then made between the values obtained for the optimized damaged column, and those obtained for the optimized undamaged column. The comparison reveals that the incorporation of damage in the column alters its optimal shape to only a certain extent. Also, the critical load and frequency values for the optimized damaged column are comparatively low, compared with those obtained for the optimized undamaged column. However, these results hold true only for moderate-intensity damage cases. For high intensity damage, the optimal shape may not remain the same, and may vary, according to the severity of damage.
The design basis is being shifted from strength to deformation in modern performance-based design codes. This paper presents a practical method for optimization of eccentrically braced steel frames, based on the concept of uniform deformation theory (UDT). This is done by gradually shifting inefficient material from strong parts of the structure to the weak areas until a state of uniform deformation is achieved. In the first part of this paper, UDT is implemented on 3, 5 and 10 story eccentrically braced frames (EBF) subjected to 12 earthquake records representing the design spectrum of ASCE/SEI 7-10. Subsequently, the optimum strength-distribution patterns corresponding to these excitations are determined, and compared with four other loading patterns. Since the optimized frames have uniform distribution of deformation, they undergo less damage in comparison with code-based designed structures while having minimum structural weight. For further investigation, the 10 story EBF is redesigned using four different loading patterns and subjected to 12 earthquake excitations. Then a comparison is made between link rotations of each model and those belonging to the optimized one which revealed that the optimized EBF behaves generally better than those designed by other loading patterns. Finally, efficiency of each loading pattern is evaluated and the best one is determined.
A simple expected damage cost model is developed and a systematic approach to evaluate the economic effects of seismic hazards to reinforced concrete structures is presented. An expected damage cost function during a specific lifetime is modeled by a Poisson's process with uniform continuous cash flow assumption. It is possible that the proposed method can decouple the damage cost effect from random earthquake events. Thus, expected damage cost function can be formulated as a combination of three independent terms; a present worth factor of Poisson's process, a damage cost interpolation function and a mean occurrence rate of earthquake intensity. The validity of the proposed method is demonstrated by a comparative study of LCC evaluations with the previous study.
There is a wide variety of existing Genetic Algorithms (GA) operators and parameters in the literature. However, there is no unique technique that shows the best performance for different classes of optimization problems. Hence, the evaluation of these operators and parameters, which influence the effectiveness of the search process, must be carried out on a problem basis. This paper presents a comparison for the influence of GA operators and parameters on the performance of the damage identification problem using the finite element model updating method (FEMU). The damage is defined as reduction in bending rigidity of the finite elements of a reinforced concrete beam. A certain damage scenario is adopted and identified using different GA operators by minimizing the differences between experimental and analytical modal parameters. In this study, different selection, crossover and mutation operators are compared with each other based on the reliability, accuracy and efficiency criteria. The exploration and exploitation capabilities of different operators are evaluated. Also a comparison is carried out for the parallel and sequential GAs with different population sizes and the effect of the multiple use of some crossover operators is investigated. The results show that the roulettewheel selection technique together with real valued encoding gives the best results. It is also apparent that the Non-uniform Mutation as well as Parent Centric Normal Crossover can be confidently used in the damage identification problem. Nevertheless the parallel GAs increases both computation speed and the efficiency of the method.
A fuel cell is an electrochemical device in which the energy of a chemical reaction is converted directly into electricity. By combining hydrogen fuel with oxygen from air, electricity is formed, without combustion of any form. Water and heat are the only by-products when hydrogen is used as the fuel source. Fuel cell stack consists of multi-layered unit cells. A unit cell consists of MEA and bipolar plates. The end plate of fuel cell stack should give a uniform distributed pressure to multi unit cell layers so as to reduce the contact resistance and to prevent the leakage of reactant gases and the damage of multi layer components. The current end plate is redundantly large and heavy. It makes the power per unit volume reduced. Topology optimization of end plate is conducted for mass reduction and enhancement of bending rigidity. The evaluation of the current design and the recommendation for the future design is remarked.
Rotating beams play a crucial role in representing complex mechanical components that are prevalent in vital sectors like energy and transportation industries. These components are susceptible to the initiation and propagation of cracks, posing a substantial risk to their structural integrity. This study presents a two-stage methodology for detecting the location and estimating the size of an open-edge transverse crack in a rotating Euler-Bernoulli beam with a uniform cross-section. Understanding the dynamic behavior of beams is vital for the effective design and evaluation of their operational performance. In this regard, modal parameters such as natural frequencies and eigenmodes are frequently employed to detect and identify damages in mechanical components. In this instance, the Frobenius method has been employed to determine the first two natural frequencies and corresponding eigenmodes associated with flapwise bending vibration. These calculations have been performed by solving the governing differential equation that describes the motion of the beam. Various parameters have been considered, such as rotational speed, beam slenderness, hub radius, and crack size and location. The effect of the crack has been replaced by a rotational spring whose stiffness represents the increase in local flexibility as a result of the damage presence. In the initial phase of the proposed methodology, a damage index utilizing the slope of the beam's eigenmode has been employed to estimate the location of the crack. After detecting the presence of damage, the size of the crack is determined using a Genetic Algorithm optimization technique. The ultimate goal of the proposed methodology is to enable the development of more suitable and reliable maintenance plans.
Farzampour, Alireza;Eatherton, Matthew R.;Mansouri, Iman;Hu, Jong Wan
Smart Structures and Systems
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v.23
no.4
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pp.329-335
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2019
Structural fuses are made up from oriented steel plates to be used to resist seismic force with shear loading resistance capabilities. The damage and excessive inelastic deformations are concentrated in structural fuses to avoid any issues for the rest of the surrounding elements. Recently developed fuse plates are designed with engineered cutouts leaving flexural or shear links with controlled yielding features. A promising type of link is proposed to align better bending strength along the length of the link with the demand moment diagram is a butterfly-shaped link. Previously, the design methodologies are purely based on the flexural stresses, or shear stresses only, which overestimate the dampers capability for resisting against the applied loadings. This study is specifically focused on the optimized design methodologies for commonly used butterfly-shaped dampers. Numerous studies have shown that the stresses are not uniformly distributed along the length of the dampers; hence, the design methodology and the effective implementation of the steel need revisions and improvements. In this study, the effect of shear and flexural stresses on the behavior of butterfly-shaped links are computationally investigated. The mathematical models based on von-Mises yielding criteria are initially developed and the optimized design methodology is proposed based on the yielding criterion. The optimized design is refined and investigated with the aid of computational investigations in the next step. The proposed design methodology meets the needs of optimized design concepts for butterfly-shaped dampers considering the uniform stress distribution and efficient use of steel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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