The use of non-linear analysis of structures in a functional way for evaluating the structural seismic behavior has attracted the attention of the engineering community in recent years. The most commonly used functional method for analysis is a non-linear static method known as the "pushover method". In this study, for the first time, a cyclic pushover analysis with different loading protocols was used for seismic investigation of curved bridges. The finite element model of 8-span curved bridges in plan created by the ZEUS-NL software was used for evaluating different pushover methods. In order to identify the optimal loading protocol for use in astatic non-linear cyclic analysis of curved bridges, four loading protocols (suggested by valid references) were used. Along with cyclic analysis, conventional analysis as well as adaptive pushover analysis, with proven capabilities in seismic evaluation of buildings and bridges, have been studied. The non-linear incremental dynamic analysis (IDA) method has been used to examine and compare the results of pushover analyses. To conduct IDA, the time history of 20 far-field earthquake records was used and the 50% fractile values of the demand given the ground motion intensity were computed. After analysis, the base shear vs displacement at the top of the piers were drawn. Obtained graphs represented the ability of a cyclic pushover analysis to estimate seismic capacity of the concrete piers of curved bridges. Based on results, the cyclic pushover method with ISO loading protocol provided better results for evaluating the seismic investigation of concrete piers of curved bridges in plan.
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.
Dynamic and static analyses of existing structures are very important to obtain reliable information relating to actual structural properties. For this purpose a series of material test, dynamic test and static collapse test of the existing two brick chimneys, in Tokoname, are carried out. From the material tests, Young's modulus and compressive strength of the brick used for these chimneys are estimated to be 3200 MPa and 7.5 MPa, respectively. The results of static collapse test of the existing two brick chimneys are discussed in this paper and composed with the results from FEA (Finite Element analysis). From the results of dynamic tests, the fundamental frequencies of Howa and Iwata brick chimneys are estimated to be about 2.69 Hz and 2.93 Hz, respectively. Their natural modes are identified by ARMAV (Autoregressive Moving Average Vectors) model. On the basis of the static and dynamic experimental tests, a numerical model has been prepared. According to the European code (Eurocode n. 8: "Design of structures for earthquake resistance") non-linear static (Pushover) analysis of the two chimneys is carried out and they seem to be vulnerable to earthquakes with 0.25 to 0.35 g.
In this study, an effective load increment method for multi modal adaptive non-linear static (pushover) analysis (NSA) for building type structures is presented. In the method, lumped plastisicity approach is adopted and geometrical non-linearties (second-order effects) are included. Non-linear yield conditions of column elements and geometrical non-linearity effects between successive plastic sections are linearized. Thus, load increment needed for formation of plastic sections can be determined directly (without applying iteration or step-by-step techniques) by using linearized yield conditions. After formation of each plastic section, the higher mode effects are considered by utilizing the essentials of traditional response spectrum analysis at linearized regions between plastic sections. Changing dynamic properties due to plastification in the system are used on the calculation of modal lateral loads. Thus, the effects of stiffness changes and local mechanism at the system on lateral load distribution are included. By using the proposed method, solution can be obtained effectively for multi-mode whereby the properties change due to plastifications in the system. In the study, a new procedure for determination of modal lateral loads is also proposed. In order to evaluate the proposed method, a 20 story RC frame building is analyzed and compared with Non-linear Dynamic Analysis (NDA) results and FEMA 356 Non-linear Static Analysis (NSA) procedures using fixed loads distributions (first mode, SRSS and uniform distribution) in terms of different parameters. Second-order effects on response quantities and periods are also investigated. When the NDA results are taken as reference, it is seen that proposed method yield generally better results than all FEMA 356 procedures for all investigated response quantities.
Although performance based assessment procedures are mainly developed for reinforced concrete and steel buildings, URM (Unreinforced Masonry) buildings occupy significant portion of buildings in earthquake prone areas of the world as well as in IRAN. Variability of material properties, non-engineered nature of the construction and difficulties in structural analysis of masonry walls make analysis of URM buildings challenging. Despite sophisticated finite element models satisfy the modeling requirements, extensive experimental data for definition of material behavior and high computational resources are needed. Recently, nonlinear equivalent frame models which are developed assigning lumped plastic hinges to isotropic and homogenous equivalent frame elements are used for nonlinear modeling of URM buildings. The equivalent frame models are not novel for the analysis of masonry structures, but the actual potentialities have not yet been completely studied, particularly for non-linear applications. In the present paper an effective tool for the non-linear static analysis of 2D masonry walls is presented. The work presented in this study is about performance assessment of unreinforced brick masonry buildings through nonlinear equivalent frame modeling technique. Reliability of the proposed models is tested with a reversed cyclic experiment conducted on a full scale, two-story URM building at the University of Pavia. The pushover curves were found to provide good agreement with the experimental backbone curves. Furthermore, the results of analysis show that EFM (Equivalent Frame Model) with Dolce RO (rigid offset zone) and shell element have good agreement with finite element software and experimental results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.5
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pp.47-56
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2008
This study was performed to evaluate the effect of Response modification factors (R-factor) in 3-, 9- and 20- story steel Moment Resisting Frame (MRF) buildings. Each structure was designed using a R-factor of 8, as tabulated in the 2000 International Building Code provision (IBC 2000) and Korea Building Code (KBC) 2008. In order to evaluate the maximum and minimum performance expected for such structures, an upper bound and lower bound design were adopted for each model. Next, each analytical model was designed using different R-factors (8, 9, 10, 11, 12) and four different structural periods with the original fundamental period. For a detailed case study, a total of 150 analytical models were subjected to 20 ground motions representing a hazard level with a 2% probability of being exceeded in 50 years. In order to evaluate the performance of the structures, static push-over and non-linear time history analysis (NTHA) were performed, and displacement ductility demand was investigated to consider the ductility capacity of the structures. The results show that the dynamic behaviors for the 3- and 9-story buildings are relatively stable and conservative, while the 20-story buildings show a large displacement ductility demand due to dynamic instability factors. (e.g. P-delta effect and high mode effect)
Using the nonlinear static procedures has become very common in seismic codes to achieve the nonlinear response of the structure during an earthquake. The capacity spectrum method (CSM) adopted in ATC-40 is considered as one of the most known and useful procedures. For this procedure the seismic demand can be approximated from the maximum deformation of an equivalent linear elastic Single-Degree-of-Freedom system (SDOF) that has an equivalent damping ratio and period by using an iterative procedure. Data from the results of this procedure are plotted in acceleration- displacement response spectrum (ADRS) format. Different improvements have been made in order to have more accurate results compared to the Non Linear Time History Analysis (NL-THA). A new procedure is presented in this paper where the iteration process shall not be required. This will be done by estimation the ductility demand response spectrum (DDRS) and the corresponding effective damping of the bilinear system based on a new parameter of control, called normalized yield strength coefficient (η), while retaining the attraction of graphical implementation of the improved procedure of the FEMA-440. The proposed procedure accuracy should be verified with the NL-THA analysis results as a first implementation. The comparison shows that the new procedure provided a good estimation of the nonlinear response of the structure compared with those obtained when using the NL-THA analysis.
Tohamy, Mohamed. A.;Elsayed, Mostafa. M.;Akl, Adel. Y.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.3
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pp.319-330
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2022
Retrofit of soft-story buildings due to seismic loads using Gap-Inclined-Brace (GIB) system is considered a new retrofit technique that aims to maintain both strength and stiffness of structure. In addition, it provides more ductility and less P-delta effect, and subsequently better performance is observed. In this paper, the effect of the eccentricity between GIB and the retrofitted column due to installation on the efficiency of the retrofitting system is studied. In addition, a modification in the determination method of GIB properties is introduced to reduce the eccentricity effect. Also, the effect of GIB system on the seismic response of mid-rise buildings with different heights considering soft-story at various heights has been studied. A numerical model is developed to study the impact of such system on the response of retrofitted soft-story buildings under the action of seismic loads. To achieve that goal, this model is used to perform a numerical investigation, by considering five case study scenarios represent several locations of soft-story of two mid-rise reinforced concrete buildings. At first, Non-linear static pushover analysis was carried out to develop the capacity curves for case studies. Then, Non-linear time history analyses using ten earthquake records with five peak ground accelerations is performed for each case study scenario before and after retrofitting with GIB. The results show that large GIB eccentricity reduce the ultimate lateral resistance and deformation capacity of the retrofitting system. Moreover, the higher the retrofitted building, the more deformation capacity is observed but without significant increase in ultimate lateral resistance.
The wind design of buildings is typically based on strength provisions under ultimate loads. This is unlike the ductility-based approach used in seismic design, which allows inelastic actions to take place in the structure under extreme seismic events. This research investigates the application of a similar concept in wind engineering. In seismic design, the elastic forces resulting from an extreme event of high return period are reduced by a load reduction factor chosen by the designer and accordingly a certain ductility capacity needs to be achieved by the structure. Two reasons have triggered the investigation of this ductility-based concept under wind loads. Firstly, there is a trend in the design codes to increase the return period used in wind design approaching the large return period used in seismic design. Secondly, the structure always possesses a certain level of ductility that the wind design does not benefit from. Many technical issues arise when applying a ductility-based approach under wind loads. The use of reduced design loads will lead to the design of a more flexible structure with larger natural periods. While this might be beneficial for seismic response, it is not necessarily the case for the wind response, where increasing the flexibility is expected to increase the fluctuating response. This particular issue is examined by considering a case study of a sixty-five-story high-rise building previously tested at the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory at the University of Western Ontario using a pressure model. A three-dimensional finite element model is developed for the building. The wind pressures from the tested rigid model are applied to the finite element model and a time history dynamic analysis is conducted. The time history variation of the straining actions on various structure elements of the building are evaluated and decomposed into mean, background and fluctuating components. A reduction factor is applied to the fluctuating components and a modified time history response of the straining actions is calculated. The building components are redesigned under this set of reduced straining actions and its fundamental period is then evaluated. A new set of loads is calculated based on the modified period and is compared to the set of loads associated with the original structure. This is followed by non-linear static pushover analysis conducted individually on each shear wall module after redesigning these walls. The ductility demand of shear walls with reduced cross sections is assessed to justify the application of the load reduction factor "R".
Numerical simulation of the non-linear behavior of (RC) structural walls subjected to severe earthquake ground motions requires a reliable modeling approach that includes important material characteristics and behavioral response features. The objective of this paper is to optimize a simplified method for the assessment of the seismic response and damage development analyses of an RC structural wall building using macro-element model. The first stage of this study investigates effectiveness and ability of the macro-element model in predicting the flexural nonlinear response of the specimen based on previous experimental test results conducted in UCLA. The sensitivity of the predicted wall responses to changes in model parameters is also assessed. The macro-element model is next used to examine the dynamic behavior of the structural wall building-all the way from elastic behavior to global instability, by applying an approximate Incremental Dynamic Analysis (IDA), based on Uncoupled Modal Response History Analysis (UMRHA), setting up nonlinear single degree of freedom systems. Finally, the identification of the global stiffness decrease as a function of a damage variable is carried out by means of this simplified methodology. Responses are compared at various locations on the structural wall by conducting static and dynamic pushover analyses for accurate estimation of seismic performance of the structure using macro-element model. Results obtained with the numerical model for rectangular wall cross sections compare favorably with experimental responses for flexural capacity, stiffness, and deformability. Overall, the model is qualified for safety assessment and design of earthquake resistant structures with structural walls.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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