Utilization of fiber beam-column element has gained considerable attention in recent years due mainly to its ability to model distributed plasticity over the length of the element through a number of integration points. However, the relatively high sensitivity of the method to modeling parameters as well as material behavior models can pose a significant challenge. Residual drift is one of the seismic demands which is highly sensitive to modeling parameters and material behavior models. Permanent deformations play a prominent role in the post-earthquake evaluation of serviceability of bridges affected by a near-fault ground shaking. In this research, the influence of distributed plasticity modeling parameters using both force-based and displacement-based fiber elements in the prediction of internal forces obtained from the nonlinear static analysis is studied. Having chosen suitable type and size of elements and number of integration points, the authors take the next step by investigating the influence of material behavioral model employed for the prediction of permanent deformations in the nonlinear dynamic analysis. The result shows that the choice of element type and size, number of integration points, modification of cyclic concrete behavior model and reloading strain of concrete significantly influence the fidelity of fiber element method for the prediction of permanent deformations.
Visco-Plastic Damper (VPD) as a passive energy dissipation device with dual behavior has been recently numerically studied. It consists of two bent steel plates and segments with a viscoelastic solid material in between, combining and improving characteristics of both displacement-dependent and velocity-dependent devices. In order to trust the performance of VPD, for the 1st time this paper experimentally investigates prototype damper behavior under a wide range of frequency and amplitude of dynamic loading. A high-axial damping rubber is innovatively proposed as the viscoelastic layer designed to withstand large axial strains and dissipate energy accordingly. Test results confirmed all assumptions about VPD. The behavior of VPD subjected to low levels of excitation is elastic while with increasing levels of excitation, a significant source of energy dissipation is provided through the yielding of the steel elements in addition to the viscoelastic energy dissipation. The results showed energy dissipation of 99.35 kN.m under a dynamic displacement with 14.095 mm amplitude and 0.333 Hz frequency. Lateral displacement at the middle of the device was created with an amplification factor obtained ranging from 2.108 to 3.242 in the rubber block. Therefore, the energy dissipation of viscoelastic material of VPD was calculated 18.6 times that of the ordinary viscoelastic damper.
Currently, many studies are underway at home and abroad on the seismic performance evaluation and dry construction method of the masonry structure. In this study, a dry stack masonry wall system without mortar using concrete blocks is proposed, and investigate the seismic performance of dry filling wall frames through experimental studies. First, two types of standard blocks and key blocks were designed to assemble dry walls of concrete blocks. And then, three types of experiments were manufactured, including pure frame, 1/2 height filling wall frame, and full height filling wall frame, and cyclic load experiments in horizontal direction were performed to analyze crack patterns, load displacement history, rebar deformation yield, effective stiffness change, displacement ductility, and energy dissipation capacity. According to the experimental results, the full height filling wall frame had the largest horizontal resistance against the earthquake load and showed a high energy dissipation capacity. However, the 1/2 height filling wall frame requires attention because the filling wall constrains the effective span of the column, limiting the horizontal displacement of the frame. In addition, the concrete block was firmly assembled in the vertical direction of the wall as the horizontal movement between the concrete blocks was allowed within installation margin, and there was no dropping of the assembled concrete block.
Akbar Nikzad;Alireza Kiani;Seyed Alireza Kazerounian
Structural Engineering and Mechanics
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v.88
no.5
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pp.463-480
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2023
The buckling-restrained braced frames with eccentric configurations (BRBF-Es) exhibit stable cyclic behavior and possess a high energy absorption capacity. Additionally, they offer architectural advantages for incorporating openings, much like Eccentrically Braced Frames (EBFs). However, studies have indicated that significant residual drifts occur in this system when subjected to earthquakes at the Maximum Considered Earthquake (MCE) hazard level. Consequently, in order to mitigate these residual drifts, it is recommended to employ self-centering systems alongside the BRBF-E system. In our current research, we propose the utilization of the Direct Displacement-Based Seismic Design method to determine the design base shear for a hybrid system that combines BRBF with an eccentric configuration and a self-centering frame. Furthermore, we present a methodology for designing the individual components of this composite system. To assess the effectiveness of this design approach, we designed 3-, 6-, and 9-story buildings equipped with the BRBF-E-SCF system and developed finite element models. These models were subjected to two sets of ground motions representing the Maximum Considered Earthquake (MCE) and Design Basis Earthquake (DBE) seismic hazard levels. The results of our study reveal that although the combined system requires a higher amount of steel material compared to the BRBF-E system, it substantially reduces residual drift. Furthermore, the combined system demonstrates satisfactory performance in terms of story drift and ductility demand.
Ana Vrgoc;Viktor Kosin;Clement Jailin;Benjamin Smaniotto;Zvonimir Tomicevic;Francois Hild
Coupled systems mechanics
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v.12
no.6
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pp.503-517
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2023
Standard Digital Volume Correlation (DVC) approaches are based on pattern matching between two reconstructed volumes acquired at different stages. Such frameworks are limited by the number of scans (due to acquisition duration), and time-dependent phenomena can generally not be captured. Projection-based Digital Volume Correlation (P-DVC) measures displacement fields from series of 2D radiographs acquired at different angles and loadings, thus resulting in richer temporal sampling (compared to standard DVC). The sought displacement field is decomposed over a basis of separated variables, namely, temporal and spatial modes. This study utilizes an alternative route in which spatial modes are con-structed via scan-wise DVC, and thus only the temporal amplitudes are sought via P-DVC. This meth-od is applied to a glass fiber mat reinforced polymer specimen containing a machined notch, subjected to in-situ cyclic tension, and imaged via X-Ray Computed Tomography. Different temporal interpolations are exploited. It is shown that utilizing only one DVC displacement field (as spatial mode) was sufficient to properly capture the complex kinematics up to specimen failure.
In the present study, an innovative steel bracket and haunch hybrid scheme is devised, for retrofitting of earthquake damaged deficient beam-column sub-assemblages. Formulations are presented for evaluating haunch force factor under combined load case of lateral and gravity loads for the design of double haunch retrofit. The strength hierarchies of control and retrofitted beam-column sub-assemblages are established to showcase the efficacy of the retrofit in reversing the undesirable strength hierarchy. Further, the efficacy of the proposed retrofit scheme is demonstrated through experimental investigations carried out on gravity load designed (GLD), non-ductile and ductile detailed beam-column sub-assemblages which were damaged under reverse cyclic loading. The maximum load carried by repaired and retrofitted GLD specimen in positive and negative cycle is 12% and 28% respectively higher than that of the control GLD specimen. Further, the retrofitted GLD specimen sustained load up to drift ratio of 5.88% compared with 2.94% drift sustained by control GLD specimen. Repaired and retrofitted non-ductile specimen, could attain the displacement ductility of three during positive cycle of loading and showed improved ductility well above the expected displacement ductility of three during negative cycle. The hybrid haunch retrofit restored the load carrying capacity of damaged ductile specimen to the original level of control specimen and improved the ductility closer to the expected displacement ductility of five. The total cumulative energy dissipated by repaired and retrofitted GLD, non-ductile and ductile specimens are respectively 6.5 times, 2.31 times, 1.21 times that of the corresponding undamaged control specimens. Further, the damage indices of the repaired and retrofitted specimens are found to be lower than that of the corresponding control specimens. The novel and innovative steel bracket and haunch hybrid retrofit scheme proposed in the present study demonstrated its effectiveness by attaining the required displacement ductility and load carrying capacity and would be an excellent candidate for post-earthquake retrofit of damaged existing RC structures designed according to different design evolutions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1227-1234
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2012
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully reversed cyclic in-plane bending displacement was applied to the specimens. For the pipe bends with wall thinning at the extrados, an axial crack occurred at the crown of the pipe bend rather than at the extrados where the defect was located. In addition, the fatigue life was longer than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve in ASME Sec.III, and it was less dependent on the axial length of the wall-thinning defect. For the pipe bends with wall thinning at the intrados, a circumferential crack occurred at the intrados. In this case, the fatigue life was much shorter than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve, and it clearly decreased with decreasing axial length of the wall-thinning defect.
Behzadfar, Behnam;Maleki, Ahmad;Yaghin, Mohammad Ali Lotfollahi
Earthquakes and Structures
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v.19
no.4
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pp.303-313
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2020
Spacious experimental and numerical investigation has been conducted by researchers to increase the ductility and energy dissipation of concentrically braced frames. One of the most widely used strategies for increasing ductility and energy dissiption, is the use of energy-absorbing systems. In this regard, the cyclic behavior of a chevron bracing frame system equipped with multi-pipe dampers (CBF-MPD) was investigated through finite element method. The purpose of this study was to evaluate and improve the behavior of the CBF using MPDs. Three-dimensional models of the chevron brace frame were developed via nonlinear finite element method using ABAQUS software. Finite element models included the chevron brace frame and the chevron brace frame equipped with multi-pipe dampers. The chevron brace frame model was selected as the base model for comparing and evaluating the effects of multi-tube dampers. Finite element models were then analyzed under cyclic loading and nonlinear static methods. Validation of the results of the finite element method was performed against the test results. In parametric studies, the influence of the diameter parameter to the thickness (D/t) ratio of the pipe dampers was investigated. The results indicated that the shear capacity of the pipe damper has a significant influence on determining the bracing behavior. Also, the results show that the corresponding displacement with the maximum force in the CBF-MPD compared to the CBF, increased by an average of 2.72 equal. Also, the proper choice for the dimensions of the pipe dampers increased the ductility and energy absorption of the chevron brace frame.
The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior and ductility capacity of reinforced concrete frame subjected to cyclic lateral load and to provide result for developing improved seismic design criteria. A computer program named RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology) for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. The smeared crack approach is incorporated. The strength increase of concrete due to the lateral confining reinforcement has been taken into account to model the confined concrete. In boundary plane at which each member with different thickness is connected local discontinuous deformation due to the abrupt change in their stiffness can be taken into account by introducing interface element. The effect of number of load reversals with the same displacement amplitude has been also taken into account to model the reinforcing steel. The proposed numerical method for the inelastic behavior and ductility capacity of reinforced concrete frame subjected to cyclic lateral load is verified by comparison with reliable experimental results.
In this study, cyclic loading tests were conducted to assess the seismic performance of cast-in-place (CIP) concrete-filled hollow core precast concrete columns (HPCC) constructed using steel ducts and rubber tubes. The outer shells of HPCC, with a hollow ratio of 47%, were fabricated using steel ducts and rubber tubes, respectively. Two combinations of shear studs & long threaded bars or cross-deformed bars & V-ties were employed to ensure the structural integrity of the old concrete (outer shell) and new CIP concrete. Up to a drift ratio of 3.8%, the hysteresis loop, yielding stiffness, dissipated energy, and equivalent damping ratio of the HPCC specimens were largely comparable to those of the solid columns. Besides the similarities in cyclic load-displacement responses, the strain history of the longitudinal bars and the transverse confinement of the three specimens also exhibited similar patterns. The measured maximum moment exceeded the predicted moment according to ACI 318 by more than 1.03 times. However, the load reduction of the HPCC specimen after reaching peak strength was marginally greater than that of the solid specimen. The energy dissipation and equivalent damping ratios of the HPCC specimens were 20% and 25% lower than those of the solid specimen, respectively. Taking into account the overall results, the structural behavior of HPCC specimens fabricated using steel ducts and rubber tubes is deemed comparable to that of solid columns. Furthermore, it was confirmed that the two combinations for securing structural integrity functioned as expected, and that rubber air-tubes can be effectively used to create well-shaped hollow sections.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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