Quinde, Pablo;Reinoso, Eduardo;Teran-Gilmore, Amador;Ramos, Salvador
Earthquakes and Structures
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v.17
no.6
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pp.577-590
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2019
The seismic response of structures to strong ground motions is a complex problem that has been studied for decades. However, most of current seismic regulations do not assess the potential level of damage that a structure may undergo during a strong earthquake. This will happen in spite that the design objectives for any structural system are formulated in terms of acceptable levels of damage. In this article, we analyze the expected damage in single-degree-of-freedom systems subjected to long-duration ground motions generated in soft soil sites, such as those located in the lakebed of Mexico City. An energy-based methodology is formulated, under the consideration of input energy as the basis for the evaluation process, to estimate expected damage. The results of the proposed methodology are validated with damage curves established directly with nonlinear dynamic analyses.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
A damage-based seismic design procedure for steel frame structures is formulated as an optimization problem, in which minimization of the initial construction cost is treated as the objective of the problem. The performance constraint of the design procedure is to achieve "repairable" damage state for earthquake demands that are less severe than the design ground motions. The Park-Ang damage index is selected as the seismic damage measure for the quantification of structural damage. The charged system search (CSS) algorithm is employed as the optimization algorithm to search the optimum solutions. To improve the time efficiency of the solution algorithm, two simplifying strategies are adopted: first, SDOF idealization of multi-story building structures capable of estimating the actual seismic response in a very short time; second, fitness approximation decreasing the number of fitness function evaluations. The results from a numerical application of the proposed framework for designing a twelve-story 3D steel frame structure demonstrate its efficiency in solving the present optimization problem.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.7
no.2
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pp.135-153
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2013
This study investigates the direct displacement based design (DDBD) approach for different types of reinforced concrete structural systems including single moment-resisting, dual wall-frame and dual steel-braced systems. In this methodology, the displacement profile is calculated and the equivalent single degree of freedom system is then modeled considering the damping characteristics of each member. Having calculated the effective period and secant stiffness of the structure, the base shear is obtained, based on which the design process can be carried out. For each system three frames are designed using DDBD approach. The frames are then analyzed using nonlinear time-history analysis with 7 earthquake accelerograms and the damage index is investigated through lateral drift profile of the models. Results of the analyses and comparison of the nonlinear time-history analysis results indicate efficiency of the DDBD approach for different reinforced concrete structural systems.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.245-248
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2000
Modern aircraft composite structures are designed using a damage tolerance philosophy. This design philosophy envisions sufficient strength and structural integrity of the aircraft to sustain major damage and to avoid catastrophic failure. The only reasonable way to treat on the same basis all the conditions and uncertainties participating in the design of damage tolerant composite aircraft structures is to use the probability-based approach. Therefore, the model has been developed to assess the probability of structural failure (POSF) and associated risk taking into account the random mechanical loads, random temperature-humidity conditions, conditions causing damages, as well as structural strength variations due to intrinsic strength scatter, manufacturing defects, operational damages, temperature-humidity conditions. The model enables engineers to establish the relationship between static/residual strength safety margins, production quality control requirements, in-service inspection resolution and criteria, and POSF. This make possible to estimate the cost associated with the mentioned factors and to use this cost as overall criterion. The methodology has been programmed into software.
The in-reactor fuel rod support conditions against the fretting wear-induced damage can be evaluated by residual spacer grid spring deflection or rod-to-grid gap. In order to evaluate the impact of fuel design parameters on the fretting wear-induced damage, a simulation methodology of the in-reactor fuel rod supporting conditions as a function of burnup has been developed and implemented in the GRIDFORCE program. The simulation methodology takes into account cladding creep rate, initial spring deflection, initial spring force, and spring force relaxation rate as the key fuel design parameters affecting the in-reactor fuel rod supporting conditions. Based on the parametric studies on these key parameters, it is found that the initial spring deflection, the spring force relaxation rate and cladding creepdown rate are in the order of the impact on the in-reactor fuel rod supporting conditions. Application of this simulation methodology to the fretting wear-induced failure experienced in a commercial plant indicates that this methodology can be utilized as an effective tool in evaluating the capability of newly developed cladding materials and/or new spacer grid designs against the fretting wear-induced damage.
This paper provides a methodology to analyze the seismic performance of different component designs in hybrid masonry structures (HMS). HMS, comprised of masonry panels, steel frames and plate connectors is a relatively new structural system with potential applications in high seismic areas. HMS dissipate earthquake energy through yielding in the steel components and damage in the masonry panels. Currently, there are no complete codes to assist with the design of the energy dissipation components of HMS and there have been no computational studies performed to aid in the understanding of the system energy dissipation mechanisms. This paper presents parametric studies based on calibrated computational models to extrapolate the test data to a wider range of connector strengths and more varied reinforcement patterns and reinforcement ratios of the masonry panels. The results of the numerical studies are used to provide a methodology to examine the effect of connector strength and masonry panel design on the energy dissipation in HMS systems. We use as test cases two story structures subjected to cyclic loading due to the availability of experimental data for these configurations. The methodology presented is however general and can be applied to arbitrary panel geometries, and column and story numbers.
The importance of ensuring the inherent safety and security has been more emphasized in recent years to demonstrate the integrity of nuclear facilities under external human-induced events (e.g. aircraft crashes). This work suggests a simulation methodology to effectively evaluate the impact of a commercial aircraft engine onto a dry storage facility. A full-scale engine model was developed and verified by Riera force-time history analysis. A reinforced concrete (RC) structure of a dry storage facility was also developed and material behavior of concrete was incorporated using three constitutive models namely: Continuous Surface Cap, Winfrith, and Karagozian & Case for comparison. Strain-based erosion limits for concrete were suitably defined and the local responses were then compared and analyzed with empirical formulas according to variations in impact velocity. The proposed methodology reasonably predicted such local damage modes of RC structure from the engine missile, and the analysis results agreed well with the calculations of empirical formulas. This research is expected to be helpful in reviewing the dry storage facility design and in the probabilistic risk assessment considering diverse impact scenarios.
Evaluation of fatigue strength considering the springing effect of very large container ships is crucial in the design stage. In this study, we established a fatigue strength evaluation method considering a linear springing component in the frequency domain. Based on a three-dimensional global model, a fluid-structure interaction analysis was performed and the modal superposition method was applied to determine the hot spot stress at the hatch corner of very large container ships. Fatigue damage was directly estimated using the stress transfer function with a linear springing response. Furthermore, we proposed a new methodology to apply the springing effect to fatigue damage using hull girder loads. Subsequently, we estimated the fatigue damage contribution due to linear springing components along the ship length. Finally, we discussed the practical application of the proposed methods.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.387-390
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2008
The importance of the life cycle cost analysis for construction projects of bridge has been recognized over the last decades. Accordingly, theoretical models, guidelines, and supporting softwares have been developed for the life cycle cost analysis of bridges. However, it is difficult to predict life cycle cost considering uncertainties precisely. This paper presents methodology for optimal design of substructure for a steel box bridge. Total life cycle cost for the service life is calculated as sum of initial cost, damage cost considering uncertainty, maintenance cost, repair and rehabilitation cost. The optimization method is applied to design of a bridge substructure with minimal cost, in which the objective function is set to life cycle cost and constraints are formulated on the basis of Korean Bridge Design Specification. Initial cost is calculated based on standard costs of the Korea Construction Price Index and damage cost on the damage probabilities to consider the uncertainty of load and resistance. An advanced first-order second moment method is used as a practical tool for reliability analysis using damage probability. Maintenance cost and cycle is determined by a stochastic method and user cost includes traffic operation costs and time delay costs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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