In the past, Korea was classified as a region not affected by earthquakes. However, recent increase of earthquakes has forced to strengthen standards of earthquake resistant designs of structures to minimize seismic damage. In addition, it was thought that masonry infill walls in buildings are only acting as partitions, so these walls are not considered in analyzing building structures. But it was found that when seismic loads are applied to a structure with masonry infill walls, the walls affect the structure. Accordingly, this study conducted nonlinear static analyses for a structure constructed before applying earthquake resistant designs in two cases: when considering masonry walls and when not. The result showed that the seismic performance of the structure is insufficient. Thus, the structural resistance of the structure was also studied in two cases: when reinforcing with steel plate braces and when using carbon fiber braces. In the two cases reinforcing two different stiffeners, it was appeared that the behaviors of the structure were similar, though the cross-section area of a carbon fiber brace used to reinforcing the structure is only 12.6% of a steel plate brace, and its weight is only 2.8%. Thus, the reinforcing effect of the thin, light-weighted carbon fiber brace is much larger than that of the steel plate brace, when considering usability and constructability of both materials.
Farghaly, Ahmed Abdelraheem;Rahim, Hamdy H.A. Abdel
Earthquakes and Structures
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제5권5호
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pp.553-570
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2013
Using of masonry infill as partitions, in flat slab frame buildings is a common practice in many parts of the world. The infill is, generally, not considered in the design and the buildings are designed as bare frames. More of fundamental information in the effect of masomary infill on the seismic performance of RC building frames is in great demand for structural engineers. Therefore the main aim of this research is to evaluate the seismic performance of such buildings without (bare frame) and with various systems of the masonary infill. For this purpose, thirteen three dimensional models are chosen and analyzed by SAP2000 program. In this study the stress strain relation model proposed by Crisafulli for the hysteric behaviour of masonary subjected to cyclic loading is used. The results show that the nonstructural masonary infill can impart significant increase global strength and stiffness of such building frames and can enhance the seismic behaviour of flat slab frame building to large extent depending on infill wall system. As a result great deal of insight has been obtained on seismic response of such flat slab buildings which enable the structural engineer to determine the optimum position of infill wall between the columns.
In 2017, an intraplate earthquake of Mw 7.1 occurred 120 km from Mexico City (CDMX). Most collapsed structural buildings stroked by the earthquake were flat slab systems joined to reinforced concrete (RC) columns, unreinforced masonry, confined masonry, and dual systems. This article presents the simulated response of an actual six-story RC frame building with masonry infill walls that did not collapse during the 2017 earthquake. It has a structural system similar to that of many of the collapsed buildings and is located in a high seismic amplification zone. Five 3D numerical models were used in the study to model the seismic response of the building. The building dynamic properties were identified using an ambient vibration test (AVT), enabling validation of the building's finite element models. Several assumptions were made to calibrate the numerical model to the properties identified from the AVT, such as the presence of adjacent buildings, variations in masonry properties, soil-foundation-structure interaction, and the contribution of non-structural elements. The results showed that the infill masonry wall would act as a compression strut and crack along the transverse direction because the shear stresses in the original model (0.85 MPa) exceeded the shear strength (0.38 MPa). In compression, the strut presents lower stresses (3.42 MPa) well below its capacity (6.8 MPa). Although the non-structural elements were not considered to be part of the lateral resistant system, the results showed that these elements could contribute by resisting part of the base shear force, reaching a force of 82 kN.
Seismologists now suggest that the earth has entered an active seismic period; many earthquake-related events are occurring globally. Consequently, numerous casualties, as well as economic losses due to earthquakes, have been reported in recent years. Primarily, significant and colossal damage occurs in reinforced concrete (RC) buildings with masonry infill wall systems, and the construction of these types of structures have increased worldwide. According to a report from the Ministry of Education in the Republic of Korea, many buildings were built with RC frames with masonry infill walls in the Republic of Korea during the 1980s. For years, most structures of this type have been school buildings, and since the Pohang earthquake in 2017, the government of the Republic of Korea has paid close attention to this social event and focused on damage from earthquakes. From a long-term research perspective, damage from structural collapse due to the short column effect has been a major concern, specifically because the RC frame with a masonry infill wall system is the typical form of structure for school buildings. Therefore, the short column effect has recently been a major topic for research. This study compares one RC frame with four different types of RC frames with masonry infill wall systems. Structural damage due to the short column effect is clearly analyzed, as the result of this research is giving in a higher infill wall system produces a greater shear force on the connecting point between the infill wall system and the column. The study is expected to be a useful reference for research on the short column effect in RC frames with masonry infill wall systems.
Framed masonry wall structures represent a typical high-rise structural system that are also seismically vulnerable. During ground motions, they are excited in both in-plane and out-of-plane terms. The interaction between the frame and the infill during ground motion is a highly investigated phenomenon in the field of seismic engineering. This paper presents a numerical investigation of two distinct static out-of-plane loading methods for framed masonry wall models. The first and most common method is uniformly loaded infill. The load is generally induced by the airbag. The other method is similar to in-plane push-over method, involves loading of the frame directly, not the infill. Consequently, different openings with the same areas and various placements were examined. The numerical model is based on calibrated in-plane bare frame models and on calibrated wall models subjected to OoP bending. Both methods produced widely divergent results in terms of load bearing capabilities, failure modes, damage states etc. Summarily, uniform load on the panel causes more damage to the infill than to the frame; openings do influence structures behavior; three hinged arching action is developed; and greater resistance and deformations are obtained in comparison to the frame loading method. Loading the frame causes the infill to bear significantly greater damage than the infill; infill and openings only influence the behavior after reaching the peak load; infill does not influence initial stiffness; models with opening fail at same inter-storey drift ratio as the bare frame model.
The seismic behavior of a ${\frac{1}{2}}$ scaled, three-story three-bay RC frame with masonry infill walls was studied experimentally and numerically. Pseudo-dynamic test results showed that despite following the column design provisions of modern seismic codes and neglecting the presence of infill walls, shear induced damage is unavoidable in the boundary columns. A finite element model was validated by using the results of available one-story one-bay frame tests in the literature. Simulations of the examined test frame demonstrated that boundary columns are subjected to shear demands in excess of their shear capacity. Seismic assessment of the test frame was conducted by using ASCE/SEI 41-06 (2006) guidelines and the obtained results were compared with the damage observed during experiment. ASCE/SEI 41-06 method for the assessment of boundary columns was found unsatisfactory in estimating the observed damage. Damage estimations were improved when the strain limits were used within the plastic hinge zone instead of column full height.
The main structural elements of historical masonry arch bridges are arches, spandrel walls, piers and foundations. The most vulnerable structural elements of masonry arch bridges under transverse seismic loads, particularly in the case of out-of-plane actions, are spandrel wall. The vulnerability of spandrel walls under transverse loads increases with the increasing of their length and height. This paper computationally investigates the out-of-plane nonlinear seismic response of spandrel walls of long-span and high masonry stone arch bridges. The Malabadi Bridge with a main arch span of 40.86m and rise of 23.45m built in 1147 in Diyarbakır, Turkey, is selected as an example. The Concrete Damage Plasticity (CDP) material model adjusted to masonry structures, and cohesive interface interaction between the infill and the spandrel walls and the arch are considered in the 3D finite element model of the selected bridge. Firstly, mode shapes with and without cohesive interfaces are evaluated, and then out-of-plane seismic failure responses of the spandrel walls with and without the cohesive interfaces are determined and compared with respect to the displacements, strains and stresses.
It is quite apparent that engineering concerns related to the influence of masonry infills on seismic behavior of reinforced concrete (RC) structures is likely to remain relevant in the long term, as infill walls maintain their functionalities in construction practice. Within this framework, the present paper mainly deals with the issue in terms of modal expansion of effective earthquake forces and the resultant modal responses. An adequate determination of spatial distribution of effective earthquake forces over the height of the building is highly essential for both seismic analysis and design. The possible influence of infill walls is investigated by means of modal analyses of two-, three-, and four-bay RC frames with a number of stories ranging from 3 to 8. Both uniformly and non-uniformly infilled frames are considered in numerical analyses, where infill walls are simulated by adopting the model of equivalent compression strut. Consequently, spatial distribution of effective earthquake forces, modal static base shear force response of frames, modal responses of story shears from external excitation vector and lateral floor displacements are obtained. It is found that, infill walls and their arrangement over the height of the frame structure affect the spatial distribution of modal inertia forces, as well as the considered response quantities. Moreover, the amount of influence varies in stories, but is not very dependent to bay number of frames.
This paper strongly addresses to the problem of the mechanical systems in which parameters are uncertain and bounded. Interval calculation is used to find sharp bounds of the structural parameters for infilled frame system modeled with finite element method. Infill walls are generally treated as non-structural elements considerably to improve the lateral stiffness, strength and ductility of the structure together with the frame elements. Because of their complex nature, they are often neglected in the analytical model of building structures. However, in seismic design, ignoring the effect of infill wall in a numerical model does not accurately simulate the physical behavior. In this context, there are still some uncertainties in mechanical and also geometrical properties in the analysis and design procedure of infill walls. Structural uncertainties can be studied with a finite element formulation to determine sharp bounds of the structural parameters such as wall thickness and Young's modulus. In order to accomplish this sharp solution as much as possible, interval finite element approach can be considered, too. The structural parameters can be considered as interval variables by using the interval number, thus the structural stiffness matrix may be divided into the product of two parts which correspond to the interval values and the deterministic value.
Misir, I. Serkan;Ozcelik, Ozgur;Girgin, Sadik Can;Kahraman, Serap
Structural Engineering and Mechanics
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제44권6호
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pp.763-774
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2012
Reinforced concrete frame structures with masonry infill walls constitute the significant portion of the building stock in Turkey. Therefore it is very important to understand the behavior of masonry infill frame structures under earthquake loads. This study presents an experimental work performed on reinforced concrete (RC) frames with different types of masonry infills, namely standard and locked bricks. Earthquake effects are induced on the RC frames by quasi-static tests. Results obtained from different frames are compared with each other through various stiffness, strength, and energy related parameters. It is shown that locked bricks may prove useful in decreasing the problems related to horizontal and vertical irregularities defined in building codes. Moreover tests show that locked brick infills maintain their integrity up to very high drift levels, showing that they may have a potential in reducing injuries and fatalities related to falling hazards during severe ground shakings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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