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 study proposes a methodology for the regional seismic risk assessment of structural damage to buildings in Korea based on evaluating individual buildings, considering inconsistency between the administrative district border and grid lines to define seismic hazard. The accuracy of seismic hazards was enhanced by subdividing the current 2km-sized grids into ones with a smaller size. Considering the enhancement of the Korean seismic design code in 2005, existing seismic fragility functions for seismically designed buildings are revised by modifying the capacity spectrum according to the changes in seismic design load. A seismic risk index in building damage is defined using the total damaged floor area considering building size differences. The proposed seismic risk index was calculated for buildings in 29 administrative districts in 'A' city in Korea to validate the proposed assessment algorithm and risk index. In the validation procedure, sensitivity analysis was performed on the grid size, quantitative building damage measure, and seismic fragility function update.
Nowadays, many engineers believe that hybrid structures with reinforced concrete central core walls and perimeter steel frames offer an economical method to develop the strength and stiffness required for seismic design. As a result, a variety of such structures have recently been applied in actual construction. However, the performance-based seismic design of such structures has not been investigated systematically. In the performance-based seismic design, quantifying the seismic damage of complete structures by damage indices is one of the fundamental issues. Four damage states and the final softening index at each state for high-rise hybrid structures are suggested firstly in this paper. Based on nonlinear dynamic analysis, the relation of the maximum inter-story drift, the main structural characteristics, and the final softening index is obtained. At the same time, the relation between the maximum inter-story drift and the maximum roof displacement over the height is also acquired. A double-variable index accounting for maximum deformation and cumulative energy is put forward based on the pushover analysis. Finally, a case study is conducted on a high-rise hybrid structure model tested on shaking table before to verify the suggested quantities of damage indices.
The susceptibility of Reinforced Concrete (RC) buildings to earthquake-induced damage is a critical concern, primarily attributed to their inadequate seismic performance. The existing earthquake-resistant design code of India prescribes guidelines to minimize seismic damage but does not provide any means for evaluating the actual seismic performance and damage. To ascertain the seismic performance of the structures quantitatively, it is crucial to classify damage into measurable damage states. Damage Index (DI) acts as an important tool for this purpose. Among various procedures for computation of DI, the modified Park and Ang Damage Index appears to be highly accurate. However, the major drawback of this method is that it is lengthy and time-consuming. On the other hand, structural performances can be evaluated using various performance parameters such as interstory drift ratio (IDR), inelastic deformation, etc., as described in FEMA-356 and ASCE-41 17. The present study explores the correlation between seismic DI and structural performance in RC frame buildings designed according to IS code. Sixteen building models, incorporating diverse configurations, are examined using nonlinear static and time history analyses. A simplified equation is developed by regression analysis to predict DI based on IDR, offering a computationally efficient alternative. Validation tests are done to confirm the equation's accuracy. Furthermore, a unified damage scale integrating DI and seismic performance is also proposed for seismic damage evaluation of buildings designed by IS code.
Due to the Japan's Kobe earthquake in 1995, a cut-and-cover tunnel, which is one of subway facilities, collapsed unexpectedly. As a result, also in Korea, seismic performance needs to be secured for the cut-and-cover tunnel and currently, the subway seismic design standard is based on the seismic performance. However, there is no standard for the damage level or stability level of a member for securing the seismic performance, and the definition of multi-level seismic performance is not sufficient. By contrast to this situation, in the Japan's evaluation method of seismic performance, design earthquake ground motion having reflected there into the subway driving stability is clearly defined and the seismic performance required for structures is classified in detail. This study analyzes the Japan's systematic evaluation method of seismic performance for cut-and-cover tunnels of subway.
Lakshmanan, N.;Raghuprasad, B.K.;Muthumani, K.;Gopalakrishnan, N.;Sreekala, R.
Computers and Concrete
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제4권3호
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pp.167-186
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2007
Ductility based design of reinforced concrete structures implicitly assumes certain damage under the action of a design basis earthquake. The damage undergone by a structure needs to be quantified, so as to assess the post-seismic reparability and functionality of the structure. The paper presents an analytical method of quantification and location of seismic damage, through system identification methods. It may be noted that soft ground storied buildings are the major casualties in any earthquake and hence the example structure is a soft or weak first storied one, whose seismic response and temporal variation of damage are computed using a non-linear dynamic analysis program (IDARC) and compared with a normal structure. Time period based damage identification model is used and suitably calibrated with classic damage models. Regenerated stiffness of the three degrees of freedom model (for the three storied frame) is used to locate the damage, both on-line as well as after the seismic event. Multi resolution analysis using wavelets is also used for localized damage identification for soft storey columns.
The ductility of the system based on the capacity of each structural member constituting the seismic force-resisting system is a significant factor determining the structure's seismic performance. This study aims to provide a procedure to supplement the current seismic design criteria to secure the system's ductility and improve the seismic performance of the steel ordinary moment frames. For the study, a nonlinear analysis was performed on the 9- and 15-story model buildings, and the formation of collapse mechanisms and damage distribution for dynamic loads were analyzed. As a result of analyzing the nonlinear response and damage distribution of the steel ordinary moment frame, local collapse due to the concentration of structural damage was observed in the case where the influence of the higher mode was dominant. In this study, a procedure to improve the seismic performance and avoid inferior dynamic response was proposed by limiting the strength ratio of the column. The proposed procedure effectively improved the seismic performance of steel ordinary moment frames by reducing the probability of local collapse.
Minimizing construction cost and reducing seismic damage are two conflicting objectives in the design of any new structure. In the present work, we try to develop a framework in order to solve the optimum performance-based design problem considering the construction cost and the seismic damage of steel moment-frame structures. The Park-Ang damage index is selected as the seismic damage measure because it is one of the most realistic measures of structural damage. The non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is employed as the optimization algorithm to search the Pareto optimal solutions. To improve the time efficiency of the proposed framework, three simplifying strategies are adopted: first, simplified nonlinear modeling investigating minimum level of structural modeling sophistication; second, fitness approximation decreasing the number of fitness function evaluations; third, wavelet decomposition of earthquake record decreasing the number of acceleration points involved in time-history loading. The constraints of the optimization problem are considered in accordance with Federal Emergency Management Agency's (FEMA) recommended seismic design specifications. The results from numerical application of the proposed framework demonstrate the efficiency of the framework in solving the present multi-objective optimization problem.
Probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) is routinely conducted in the US for nuclear plants, for the determination of appropriate seismic design levels. These analyses incorporate uncertainties in earthquake characteristics in stable continental regions (where direct observations of large earthquakes are rare), in estimates of rock motions, in site effects on strong shaking, and in the damage potential of seismic shaking for engineered facilities. Performance goals related to the inelastic deformation of individual components, and related to overall seismic core damage frequency, are used to determine design levels. PSHA has the ability to quantify and document the important uncertainties that affect seismic design levels, and future work can be guided toward reducing those uncertainties.
Based on the reconnaissance of buildings in Dujiangyan City during 2008 Wenchuan earthquake, China, structural damage characteristics and the spatial distribution of structural damage are investigated, and the possible reasons for the extraordinary features are discussed with consideration of the influence of urban historical evolution and spatial variation of earthquake motions. Firstly, the urban plan and typical characteristics of structural seismic damage are briefly presented and summarized. Spatial distribution of structural damage is then comparatively analyzed by classifying all surveyed buildings in accordance with different construction age, considering the influence of seismic design code on urban buildings. Finally, the influences of evolution of seismic design code, topographic condition, local site and distance from fault rupture on spatial distribution of structural damage are comprehensively discussed. It is concluded that spatial variation of earthquake motions, resulting from topography, local site effect and fault rupture, are very important factor leading to the extraordinary spatial distribution of building damage except the evolution of seismic design codes. It is necessary that the spatial distribution of earthquake motions should be considered in seismic design of structures located in complicated topography area and near active faults.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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