This paper experimentally investigated the behavior of steel frame structures of traditional-style buildings subjected to combined constant axial load and reversed lateral cyclic loading conditions. The low cyclic reversed loading test was carried out on a 1/2 model of a traditional-style steel frame. The failure process and failure mode of the structure were observed. The mechanical behaviors of the steel frame, including hysteretic behaviors, order of plastic hinges, load-displacement curve, characteristic loads and corresponding displacements, ductility, energy dissipation capacity, and stiffness degradation were analyzed. Test results showed that the Dou-Gong component (a special construct in traditional-style buildings) in steel frame structures acted as the first seismic line under the action of horizontal loads, the plastic hinges at the beam end developed sufficiently and satisfied the Chinese Seismic Design Principle of "strong columns-weak beams, strong joints-weak members". The pinching phenomenon of hysteretic loops occurred and it changed into Z-shape, indicating shear-slip property. The stiffness degradation of the structure was significant at the early stage of the loading. When failure, the ultimate elastic-plastic interlayer displacement angle was 1/20, which indicated high collapse resistance capacity of the steel frame. Furthermore, the finite element analysis was conducted to simulate the behavior of traditional-style frame structure. Test results agreed well with the results of the finite element analysis.
Reisi, Alireza;Mirdamadi, Hamid Reza;Rahgozar, Mohammad Ali
Earthquakes and Structures
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제18권5호
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pp.637-648
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2020
In this study, a new steel cylindrical shell configuration of the dissipative energy device is proposed to improve lateral ductility and to reduce the damage of the structures against seismic forces. Four nested-eccentric- cylindrical shells are used to constructing this device; therefore, this proposed device is named nested-eccentric-cylindrical shells damper (NECSD). The particular configuration of the nested-eccentric-cylindrical shells is applied to promote the mechanical characteristics, stability, and overall performance of the damper in cyclic loads. Shell-type components are performed as a combination of series and parallel non-linear springs into the in-plan plastic deformation. Numerical analysis with respect to dimensional variables are used to calculate the mechanical characteristics of the NECSD, and full-scale testing is conducted for verifying the numerical results. The parametric study shows the NECSD with thin shells were more flexible, while devices with thick shells were more capacious. The results from numerical and experimental studies indicate that the NECSD has a stable behavior in hysteretic loops with highly ductile performance, and can provide appropriate dissipated energy under cyclic loads.
The purpose of this study was to investigate effects of TiN coating on the fatigue fracture of dental implant system with various cyclic loads. TiN coated abutment screw, the fixture, and abutment of internal hex type were prepared for fatigue test. The fatigue test was carried out according to ISO 14801:2003(E) using tensile and compression tester with repeated load from 30% to 80% of static fracture force. Morphology and fractured surface was observed by field emission scanning electron microscope(FE-SEM) and energy dispersive X-ray spectroscope(EDS). The fracture cycle drastically decreased as repeated load increased. Especially, in the case of TiN-coated abutment screw, fracture cycle increased compared to non-coated abutment screw. The fatigue crack was propagated fast as repeated load increased. The plastic deformation region decreased, whereas, cleavage fracture region increased as repeated load increased.
This paper presents the experimental result of Reinforced Concrete column-steel beam joint connected by Band Plates(BP). Main parameters in the test are the shape of BP and thickness of plate. Ten interior and exterior RC column-steel beam joint specimens are designed. Cyclic loads are applied to the beam end of eight specimens (four interior specimens and four exterior specimens). To evaluate the cyclic effect, monotonic loads are acted for two specimens. All specimen showed similar failure pattern such as the plate of BP get torn after the large deformation. Even though the specimen with double cross type BP has lower strength than the specimen with single cross type BP, the energy dissipation capacity of the specimen turned out high. Thus, provided the strength of joint with double cross type to be designed to have suitable strength by increasing the thickness of plate, the joint system may show higher seismic capacity.
Connections play a significant role in strength of structures against earthquake-induced loads. According to the post-seismic reports, connection failure is a cause of overall failure in reinforced concrete (RC) structures. Connection failure results in a sudden increase in inter-story drift, followed by early and progressive failure across the entire structure. This article investigated the cyclic performance and behavioral improvement of shape-memory alloy-based connections (SMA-based connections). The novelty of the present work is focused on the effect of shape memory alloy bars is damage reduction, strain recoverability, and cracking distribution of the stated material in RC moment frames under seismic loads using 3D nonlinear static analyses. The present numerical study was verified using two experimental connections. Then, the performance of connections was studied using 14 models with different reinforcement details on a scale of 3:4. The response parameters under study included moment-rotation, secant stiffness, energy dissipation, strain of bar, and moment-curvature of the connection. The connections were simulated using LS-DYNA environment. The models with longitudinal SMA-based bars, as the main bars, could eliminate residual plastic rotations and thus reduce the demand for post-earthquake structural repairs. The flag-shaped stress-strain curve of SMA-based materials resulted in a very slight residual drift in such connections.
In this paper, specimen tests with simulated large seismic conditions have been carried out to investigate damage characteristics such as structural deformation and crack initiation under seismic loading. The mechanical behavior of the specimens is predicted by numerical simulations and the strain-based damage evaluations are performed. Finite element analyses of the specimens under the simulated seismic loading at room and operating temperatures were carried out for low alloy steel and stainless steel materials. Peak strain amplitude, cumulative fatigue damage and cumulative strain limit damage are calculated considering the nature of cyclic loading. In all cases, the allowable damage criteria are exceeded at the time of observing cracks visually in the tests. Therefore, it is confirmed that the material behavior due to the large seismic loads can be predicted by the numerical method and the structural damage of the materials can be evaluated conservatively based on the strain criteria.
Domen Seruga;Jernej Klemenc;Simon Oman;Marko Nagode
Coupled systems mechanics
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제12권5호
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pp.409-418
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2023
A coupled algorithm is proposed which first considers the creation of porous structure of the material and then the simulations of response of mechanical components with porous structure to a variable load history. The simulations are carried out by the Prandtl operator approach in the finite element method (FEM) which enables structural simulations of mechanical components subjected to variable thermomechanical loads. Temperature-dependent material properties and multilinear kinematic hardening of the material can be taken into account by this approach. Several simulations are then performed for a tensile-compressive specimen made of a generic porous structure and mechanical properties of Aluminium alloy AlSi9Cu3. Variable mechanical load history has been applied to the specimens under constant temperature conditions. Comparison of the simulation results shows a considerable elastoplastic stress-strain response in the vicinity of pores whilst the surface of the gauge-length of the specimen remains in the elastic region of the material. Moreover, the distribution of the pore sizes seems more influential to the stress-strain field during the loading than their radial position in the gauge-length.
A deep recursive bidirectional Cuda Deep Neural Network Long Short Term Memory (Bi-CuDNNLSTM) layer is recruited in this paper to predict the entire force time histories, and the corresponding hysteresis and backbone curves of reinforced concrete (RC) bridge piers using experimental fast and slow cyclic tests. The proposed stacked Bi-CuDNNLSTM layers involve multiple uncertain input variables, including horizontal actuator displacements, vertical actuators axial loads, the effective height of the bridge pier, the moment of inertia, and mass. The functional application programming interface in the Keras Python library is utilized to develop a deep learning model considering all the above various input attributes. To have a robust and reliable prediction, the dataset for both the fast and slow cyclic tests is split into three mutually exclusive subsets of training, validation, and testing (unseen). The whole datasets include 17 RC bridge piers tested experimentally ten for fast and seven for slow cyclic tests. The results bring to light that the mean absolute error, as a loss function, is monotonically decreased to zero for both the training and validation datasets after 5000 epochs, and a high level of correlation is observed between the predicted and the experimentally measured values of the force time histories for all the datasets, more than 90%. It can be concluded that the maximum mean of the normalized error, obtained through Box-Whisker plot and Gaussian distribution of normalized error, associated with unseen data is about 10% and 3% for the fast and slow cyclic tests, respectively. In recapitulation, it brings to an end that the stacked Bi-CuDNNLSTM layer implemented in this study has a myriad of benefits in reducing the time and experimental costs for conducting new fast and slow cyclic tests in the future and results in a fast and accurate insight into hysteretic behavior of bridge piers.
Monopile foundations of offshore wind turbines embedded in soft clay are subjected to the long-term cyclic lateral loads induced by winds, currents, and waves, the vibration of monopile leads to the accumulation of pore pressure and cyclic strains in the soil in its vicinity, which poses a threat to the safety operation of monopile. The researchers mainly focused on the hysteretic stress-strain relationship of soft clay and kinds of stiffness degradation models have been adopted, which may consume considerable computing resources and is not applicable for the long-term bearing performance analysis of monopile. In this study, a modified cyclic stiffness degradation model considering the effect of plastic strain and pore pressure change has been proposed and validated by comparing with the triaxial test results. Subsequently, the effects of cyclic load ratio, pile aspect ratio, number of load cycles, and length to embedded depth ratio on the accumulated rotation angle and pore pressure are presented. The results indicate the number of load cycles can significantly affect the accumulated rotation angle of monopile, whereas the accumulated pore pressure distribution along the pile merely changes with pile diameter, embedded length, and the number of load cycles, the stiffness of monopile can be significantly weakened by decreasing the embedded depth ratio L/H of monopile. The stiffness degradation of soil is more significant in the passive earth pressure zone, in which soil liquefaction is likely to occur. Furthermore, the suitability of the "accumulated rotation angle" and "accumulated pore pressure" design criteria for determining the required cyclic load ratio are discussed.
Friction-type reinforcing members(FRM) to enhance the resistance to wind loads of a transmission tower through both stiffness strengthening and damping increase are energy dissipation devices that utilize bending deflection of a tower leg. In this paper, the hysteretic behavior of the transmission tower structure with FRMs was experimentally investigated through cyclic loading tests on a half scale substructure model. Firstly, the variation of friction forces and durability of the FRM depending on the type of friction-inducing materials used in the FRM were examined by performing the cyclic loading tests on the FRM. Secondly, cyclic loading tests of a half-scale two-dimensional substructure model of a transmission tower with FRMs were conducted. Test results show that the FRM, of which desired maximum friction force is easily regulated by adjusting the amplitude of the torque applied to the bolts, have stable hysteretic behaviors and it is found that there exists the optimum torque depending on a design load by investigating the amount of energy dissipation of the FRMs according to the increase of torque.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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