Khatami, Alireza;Heshmati, Mahdi;Aghakouchak, Ali Akbar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.3
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pp.197-214
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2020
Diagrid structures have been introduced as a fairly modern lateral load-resisting system in the design of high-rise buildings. In this paper, a novel diagrid system called tube-in-tube diagrid building is introduced and assessed through pushover and incremental dynamic analyses. The main objectives of this paper are to find the optimum angle of interior and exterior diagrid tube and evaluate the efficiency of diagrid core on the probability of collapse comparing to the conventional diagrid system. Finally, the seismic performance factors of the proposed system are validated according to the FEMA P695 methodology. To achieve these, 36-story diagrid buildings with various external and internal diagonal angles are designed and then 3-D nonlinear models of these structures developed in PERFORM-3D. The results show that weight of steel material highly depends on diagonal angle of exterior tube. Adding diagrid core generally increases the over-strength factor and collapse margin ratio of tall diagrid buildings confirming high seismic safety margin for tube-in-tube diagrid buildings under severe excitations. Collapse probabilities of both structural systems under MCE records are less than 10%. Finally, response modification factor of 3.0 and over-strength factor of 2.0 and 2.5 are proposed for design of typical diagrid and tube-in-tube diagrid buildings, respectively.
This paper presents a damage assessment procedure applied to periodic spring mass systems using an eigenvalue sensitivity-based method. The damage is directly related to the stiffness reduction of the damage element. The natural frequencies of periodic structures with one single disorder are found by adopting the transfer matrix approach, consequently, the first order approximation of the natural frequencies with respect to the disordered stiffness in different elements is used to form the sensitivity matrix. The analysis shows that the sensitivity of natural frequencies to damage in different locations depends only on the mode number and the location of damage. The stiffness changes due to damage can be identified by solving a set of underdetermined equations based on the sensitivity matrix. The issues associated with many possible damage locations in large structural systems are addressed, and a means of improving the computational efficiency of damage detection while maintaining the accuracy for large periodic structures with limited available measured natural frequencies, is also introduced in this paper. The incomplete measurements and the effect of random error in terms of measurement noise in the natural frequencies are considered. Numerical results of a periodic spring-mass system of 20 degrees of freedom illustrate that the proposed method is simple and robust in locating single or multiple damages in a large periodic structure with a high computational efficiency.
The wind-induced dynamic response of large-span flexible structures includes two important components-background response and resonant response. However, it is difficult to separate the two components in time-domain. To solve the problem, a relational expression of wavelet packet coefficients and power spectrum is derived based on the principles of digital signal processing and the theories of wavelet packet analysis. Further, a new approach is proposed for separation of the background response from the resonant response. Then a numerical example of frequency detection is provided to test the accuracy and the spectral resolution of the proposed approach. In the engineering example, the approach is applied to compute the power spectra of the wind-induced response of a large-span roof structure, and the accuracy of spectral estimation for stochastic signals is verified. The numerical results indicate that the proposed approach is efficient and accurate with high spectral resolution, so it is applicable for power spectral computation of various response signals of structures induced by the wind. Moreover, the background and the resonant response time histories are separated successfully using the proposed approach, which is sufficiently proved by detailed verifications. Therefore, the proposed approach is a powerful tool for the verification of the existing frequency-domain formulations.
Superelastic Shape Memory Alloys (SMAs) are gaining acceptance for use as reinforcing bars in concrete structures. The seismic behaviour of concrete frames reinforced with SMAs is being assessed in this study. Two eight-storey concrete frames, one of which is reinforced with regular steel and the other with SMAs at the plastic hinge regions of beams and regular steel elsewhere, are designed and analyzed using 10 different ground motion records. Both frames are located in the highly seismic region of Western Canada and are designed and detailed according to current seismic design standards. The validation of a finite element (FE) program that was conducted previously at the element level is extended to the structure level in this paper using the results of a shake table test of a three-storey moment resisting steel RC frame. The ten accelerograms that are chosen for analyzing the designed RC frames are scaled based on the spectral ordinate at the fundamental periods of the frames. The behaviour of both frames under scaled seismic excitations is compared in terms of maximum inter-storey drift, top-storey drift, inter-storey residual drift, and residual top-storey drift. The results show that SMA-RC frames are able to recover most of its post-yield deformation, even after a strong earthquake.
Concrete filled steel tube (CFST) structures have been used widely in high-rise buildings and bridges due to the efficiency of structurally favourable interaction between the steel tube and the concrete core. In the current design codes only one loading condition in the column members is considered, i.e., the load is applied on the steel tube and concrete core at the same time. However, in engineering practice the tube structures may be subjected to various loading conditions such as loading on the concrete core only, preloading on the steel tube skeleton before filling of concrete core, and so on. In this research, a series of comparative experiments were carried out to study the structural performance of concrete filled circular steel tube columns subject to four concentric loading schemes. Then, a generalized prediction method is developed to evaluate the ultimate load capacity of CFST columns subject to various loading conditions. It is shown that the predictions by the proposed method agree well with test results.
Mirzaee, Mohammad Javad;Alaee, Farshid Jandaghi;Hajsadeghi, Mohammad;Zirakian, Tadeh
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.693-700
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2017
Concrete cover cracking due to the corrosion of steel reinforcing bars is one of the main causes of deterioration in Reinforced Concrete (RC) structures. The oxidation level of the bars causes varying levels of expansion. The rebar expansions could lead to through-thickness cracking of the concrete cover, where depending on the cracking characteristics, the service life of the structures would be affected. In this paper, the effect of geometrical and material parameters, i.e., concrete cover thickness, reinforcing bar diameter, and concrete tensile strength, on the required pressure for concrete cover cracking due to corrosion has been investigated through detailed numerical simulations. ABAQUS finite element software is employed as a modeling platform where the concrete cracking is simulated by means of eXtended Finite Element Method (XFEM). The accuracy of the numerical simulations is verified by comparing the numerical results with experimental data obtained from the literature. Using a previously proposed empirical equation and the numerical model, the time from corrosion initiation to the cover cracking is predicted and then compared to the respective experimental data. Finally, a parametric study is undertaken to determine the optimum ratio of the rebar diameter to the reinforcing bars spacing in order to avoid concrete cover delamination.
In this paper, wavelet finite element model (WFEM) updating technique is employed to detect sub-element damage in thin plate structures progressively. The procedure of WFEM-based detection method, which can detect sub-element damage gradually, is established. This method involves the optimization of an objective function that combines frequencies and modal assurance criteria (MAC). During the damage detection process, the scales of wavelet elements in the concerned regions are adaptively enhanced or reduced to remain compatible with the gradually identified damage scenarios, while the modal properties from the tests remains the same, i.e., no measurement point replacement or addition are needed. Numerical and experimental examples were conducted to examine the effectiveness of the proposed method. A scanning Doppler laser vibrometer system was employed to measure the plate mode shapes in the experimental study. The results indicate that the proposed method can detect structural damage with satisfactory accuracy by using minimal degrees-of-freedoms (DOFs) in the model and minimal updating parameters in optimization.
The real behavior of the RC structures constructed based on the assumed specifications of the used materials is matched with the designed ones when the assumed and the applied specifications in construction are the same. Despite in the construction phase of the reinforced concrete (RC) structures always it is tried to implement the same specifications of materials as given in the executive drawings, but considering the unpredicted/uncontrolled parameters that affect the specification of materials, always there is a deviation between the constructed and the designed materials' specifications. The objective of this paper is to submit a guideline for the evaluation of the strength and damage to the existing RC structures encountered deviation in materials' strengths. To achieve this goal, the lateral strength (plastic behaviors) and damage to twenty-five RC moment-resisting frames (MRFs) are studied by applying the inelastic analysis. In this study, a couple of concrete and reinforcement strengths' deviations are investigated. The obtained results indicate that in general, there is a semi-linear relationship between the deviation in the strength of reinforcement and the changes in the lateral strength values of the MRFs. The relative effect of the deviation in the strength of reinforcements is more than the relative effect of the deviation in the concrete strength on the damage rate. The obtained results could be a guideline for the engineers in the survey of the existing buildings encountered deviation in materials' strengths during their construction phase.
This study employs a novel beam-type wavelet finite element model (WFEM) to fulfill an adaptive-scale damage detection strategy in which structural modeling scales are not only spatially varying but also dynamically changed according to actual needs. Dynamical equations of beam structures are derived in the context of WFEM by using the second-generation cubic Hermite multiwavelets as interpolation functions. Based on the concept of modal strain energy, damage in beam structures can be detected in a progressive manner: the suspected region is first identified using a low-scale structural model and the more accurate location and severity of the damage can be estimated using a multi-scale model with local refinement in the suspected region. Although this strategy can be implemented using traditional finite element methods, the multi-scale and localization properties of the WFEM considerably facilitate the adaptive change of modeling scales in a multi-stage process. The numerical examples in this study clearly demonstrate that the proposed damage detection strategy can progressively and efficiently locate and quantify damage with minimal computation effort and a limited number of sensors.
Arasaratnam, P.;Sivakumaran, K.S.;Rasmussen, Kim J.R.
Steel and Composite Structures
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v.6
no.6
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pp.531-555
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2006
H-shaped welded steel column members are fabricated by welding together pre-cut flanges and the web. Modern fabricators are increasingly using plasma-cutting technique instead of traditional flame cutting. Different fabrication techniques result in different degrees of geometric imperfections and residual stresses, which can have considerable influence on the strength of steel columns. This paper presents the experimental investigation based temperature profiles, geometric imperfections, and built-in residual stresses in plasma cut-welded H-shaped steel column members and in similar flame cut-welded H-shaped steel columns. Temperature measurements were taken during and immediately after the cutting operations and the welding operations. The geometric imperfections were established at closely spaced grid locations on the original plates, after cutting plates into plate strips, and after welding plate strips into columns. Geometric imperfections associated with plasma cut element and members were found to be less than those of the corresponding elements and members made by flame cutting. The "Method of Section" technique was used to establish the residual stresses in the plate, plate strip, and in the welded columns. Higher residual stress values were observed in flame cut-welded columns. Models for idealized residual stress distributions for plasma cut and flame cut welded sections have been proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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