Chen, Chang Hong;Zhu, Yan Fei;Yao, Yao;Huang, Ying
Steel and Composite Structures
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제21권3호
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pp.553-571
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2016
The progressive collapse potential of steel moment framed structures due to abrupt removal of a column is investigated based on the energy principle. Based on the changes of component's internal energy, this paper analyzes structural member's sensitivity to abrupt removal of a column to determine a sub-structure resisting progressive collapse. An energy-based structural damage index is defined to judge whether progressive collapse occurs in a structure. Then, a simplified beam damage model is proposed to analyze the energies absorbed and dissipated by structural beams at large deflections, and a simplified modified plastic hinges model is developed to consider catenary action in beams. In addition, the correlation between bending moment and axial force in a beam during the whole deformation development process is analyzed and modified, which shows good agreement with the experimental results.
Kostinakis, Konstantinos G.;Athanatopoulou, Asimina M.
Earthquakes and Structures
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제9권5호
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pp.1091-1114
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2015
The adequacy of a number of advanced earthquake Intensity Measures (IMs) to predict the structural damage of earthquake resistant 3D R/C buildings is investigated in the present paper. To achieve this purpose three symmetric in plan and three asymmetric 5-storey R/C buildings are analyzed by nonlinear time history analysis using 74 bidirectional earthquake records. The two horizontal accelerograms of each ground motion are applied along the structural axes of the buildings and the structural damage is expressed in terms of the maximum and average interstorey drift as well as the overall structural damage index. For each individual pair of accelerograms the values of the aforementioned seismic damage measures are determined. Then, they are correlated with several strong motion scalar IMs that take into account both earthquake and structural characteristics. The research identified certain IMs which exhibit strong correlation with the seismic damage measures of the studied buildings. However, the degree of correlation between IMs and the seismic damage depends on the damage measure adopted. Furthermore, it is confirmed that the widely used spectral acceleration at the fundamental period of the structure is a relatively good IM for medium rise R/C buildings that possess small structural eccentricity.
One of the most important requirements in the evaluation of existing structural systems and ensuring a safe performance during their service life is damage assessment. Damage can be defined as a weakening of the structure that adversely affects its current or future performance which may cause undesirable displacements, stresses or vibrations to the structure. The mass and stiffness of a structure will change due to the damage, which in turn changes the measured dynamic response of the system. Damage detection can increase safety, reduce maintenance costs and increase serviceability of the structures. Artificial Neural Networks (ANNs) are simplified models of the human brain and evolved as one of the most useful mathematical concepts used in almost all branches of science and engineering. ANNs have been applied increasingly due to its powerful computational and excellent pattern recognition ability for detecting damage in structural engineering. This paper presents and reviews the technical literature for past two decades on structural damage detection using ANNs with modal parameters such as natural frequencies and mode shapes as inputs.
The performance of reinforced concrete buildings subjected to earthquake excitations depends on the structural behaviour of the superstructure as well as the type of foundation and the properties of soil on which the structure is founded. The consideration of the effects due to the interaction between the structure and soil- foundation alters the seismic response of reinforced concrete buildings subjected to earthquake motion. Evaluation of the structural response of buildings for quantitative assessment of the seismic fragility has been a demanding problem for the engineers. Present research deals with development of fragility curve for building specific vulnerability assessment based on different damage parameters considering the effect of soil-structure interaction. Incremental Dynamic Analysis of fixed base and flexible base RC building models founded on different soil conditions was conducted using finite element software. Three sets of fragility curves were developed with maximum roof displacement, inter storey drift and plastic energy dissipated as engineering demand parameters. The results indicated an increase in the likelihood of exceeding various damage limits by 10-40% for flexible base condition with soft soil profiles. Fragility curve based on energy dissipated showed a higher probability of exceedance for collapse prevention damage limit whereas for lower damage states, conventional methods showed higher probability of exceedance. With plastic energy dissipated as engineering demand parameter, it is possible to track down the intensity of earthquake at which the plastic deformation starts, thereby providing an accurate vulnerability assessment of the structure. Fragility modification factors that enable the transformation of existing fragility curves to account for Soil-Structure Interaction effects based on different damage measures are proposed for different soil conditions to facilitate a congenial vulnerability assessment for buildings with flexible base conditions.
In conventional seismic design, structures are assumed to be fixed at the base. To reduce the impact of earthquake loading, while at the same time providing an economically feasible structure, minor damage is tolerated in the form of controlled plastic hinging at predefined locations in the structure. Uplift is traditionally not permitted because of concerns that it would lead to collapse. However, observations of damage to structures that have been through major earthquakes reveal that partial and temporary uplift of structures can be beneficial in many cases. Allowing a structure to move as a rigid body is in fact one way to limit activated seismic forces that could lead to severe inelastic deformations. To further reduce the induced seismic energy, slip-friction connectors could be installed to act both as hold-downs resisting overturning and as contributors to structural damping. This paper reviews recent research on the concept, with a focus on timber shear walls. A novel approach used to achieve the desired sliding threshold in the slip-friction connectors is described. The wall uplifts when this threshold is reached, thereby imparting ductility to the structure. To resist base shear an innovative shear key was developed. Recent research confirms that the proposed system of timber wall, shear key, and slip-friction connectors, are feasible as a ductile and low-damage structural solution. Additional numerical studies explore the interaction between vertical load and slip-friction connector strength, and how this influences both the energy dissipation and self-centring capabilities of the rocking structure.
This paper presents a method for detecting damage in irregular 2D and 3D continuum structures based on combination of wavelet transform (WT) with fuzzy inference system (FIS) and particle swarm optimization (PSO). Many damage detection methods study regular structures. This method studies irregular structures and doesn't need response of healthy structures. First the damaged structure is analyzed with finite element methods, and damage response is obtained at the finite element points that have irregular distance, secondly the FIS, which is optimized by PSO is used to obtain responses at points, having equal distance by response at those points that previously obtained by the finite element methods. Then a 2D (for 2D continuum structures) or a 3D (for 3D continuum structures) matrix is performed by equal distance point response. Thirdly, by applying 2D or 3D wavelet transform on 2D or 3D matrix that previously obtained by FIS detail matrix coefficient of WT is obtained. It is shown that detail matrix coefficient can determine the damage zone of the structure by perturbation in the damaged area. In order to illustrate the capability of proposed method some examples are considered.
Yazdanpanah, O.;Seyedpoor, S.M.;Bengar, H. Akbarzadeh
Structural Engineering and Mechanics
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제53권4호
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pp.725-744
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2015
In this paper, a new damage indicator based on mode shape data is introduced to identify damage in beam structures. In order to construct the indicator proposed, the mode shape, mode shape slope and mode shape curvature of a beam before and after damage are utilized. Mode shape data of the beam are first obtained here using a finite element modeling and then the slope and curvature of mode shape are evaluated via the central finite difference method. In order to assess the robustness of the proposed indicator, two test examples including a simply supported beam and a two-span beam are considered. Numerical results demonstrate that using the proposed indicator, the location of single and multiple damage cases having different characteristics can be accurately determined. Moreover, the indicator shows a better performance when compared with a well-known indicator found in the literature.
This study investigates the seismic performance of a hybrid seismic energy dissipation device composed of a viscoelastic damper and a steel slit damper connected in parallel. A moment-framed structure is designed without seismic load and is retrofitted with the hybrid dampers. The model structure is transformed into an equivalent simplified system to find out optimum story-wise damper distribution pattern using genetic algorithm. The effectiveness of the hybrid damper is investigated by fragility analysis of the structure with and without the dampers. The analysis results show that after seismic retrofit the probability of reaching damage states, especially the complete damage state, of the structure turn out to be significantly reduced.
The electromechanical impedance(E/M)-based method detects local structural damages based on variations of electrical impedance signatures which are obtained from piezoelectric sensors bonded to the structure and excited in high frequency band. In this method, temperature changes may result in significant impedance variations and lead to erroneous diagnostic results of the structure. To tackle this problem, a new technique providing a 2-dimensional damage feature related to the temperature information is proposed to distinguish the structural damage from the undesirable temperature variation. For experimental tests to validate the proposed method, damages are introduced by bolt loosening to a bolt-jointed steel beam, and impedance signals are measured under varying temperature conditions through a piezoelectric sensor attached on the beam. A freely suspended piezoelectric sensor is additionally utilized to obtain temperature information indirectly from resistance signatures. From a relationship between the damage index (from a constrained sensor) and the temperature (from a freely suspended sensor or a temperature sensor), damages can be detected more clearly under varying temperature compared to other conventional approaches.
Vibration-based structural damage detection through optimization algorithms and minimization of objective function has recently become an interesting research topic. Application of various objective functions as well as optimization algorithms may affect damage diagnosis quality. This paper proposes a new damage identification method using Moth-Flame Optimization (MFO). MFO is a nature-inspired algorithm based on moth's ability to navigate in dark. Objective function consists of a term with modal assurance criterion flexibility and natural frequency. To show the performance of the said method, two numerical examples including truss and shear frame have been studied. Furthermore, Los Alamos National Laboratory test structure was used for validation purposes. Finite element model for both experimental and numerical examples was created by MATLAB software to extract modal properties of the structure. Mode shapes and natural frequencies were contaminated with noise in above mentioned numerical examples. In the meantime, one of the classical optimization algorithms called particle swarm optimization was compared with MFO. In short, results obtained from numerical and experimental examples showed that the presented method is efficient in damage identification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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