Transmission tower-line system is one of most critical lifeline systems to cities. However, it is found that the transmission tower-line system is prone to be damaged by earthquakes in past decades. To mitigate seismic demands, this study introduces a tuned-mass damper (TMD) using superelastic shape memory alloy (SMA) spring for the system. In addition, considering the dynamic characteristics of both tower-line system and SMA are affected by temperature change. Particular attention is paid on the effect of temperature variation on seismic behavior. In doing so, the SMA-TMD is installed into the system, and its properties are optimized through parametric analyses. The considered temperature range is from -40 to $40^{\circ}C$. The seismic control effect of using SMA-TMD is investigated under the considered temperatures. Interested seismic performance indices include peak displacement and peak acceleration at the tower top and the height-wise deformation. Parametric analyses on seismic intensity and frequency ratio were carried out as well. This study indicates that the nonlinear behavior of SMA-TMD is critical to the control effect, and proper tuning before application is advisable. Seismic demand mitigation is always achieved in this wide temperature range, and the control effect is increased at high temperatures.
Energy-based seismic design of structures has gradually become prominent in today's structural engineering investigations because of being more rational and reliable when it is compared to traditional force-based and displacement-based methods. Energy-based approaches have widely taken place in many previous studies and investigations and undoubtedly, they are going to play more important role in future seismic design codes, too. This paper aims to compute the maximum earthquake energy input to elastic single-degree-of-freedom (SDOF) systems for selected real ground motion records. A data set containing 100 real ground motion records which have the same site soil profiles has been selected from Pacific Earthquake Research (PEER) database. Response time history (RTH) analyses have been conducted for elastic SDOF systems having a constant damping ratio and natural periods of 0.1 s to 3.0 s. Totally 3000 RTH analyses have been performed and the maximum mass normalized earthquake input energy values for all records have been computed. Previous researchers' approaches have been compared to the results of RTH analyses and an approach which considers the pseudo-spectral velocity with Arias Intensity has been proposed. Graphs of the maximum earthquake input energy versus the maximum pseudo-spectral velocity have been obtained. The results show that there is a good agreement between the maximum input energy demands of RTH analysis and the other approaches and the maximum earthquake input energy is a relatively stable response parameter to be used for further seismic design and evaluations.
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.
Organic solar cells utilized natural polymers to convert solar energy to electricity. The demands for green energy production and less disposal of toxic materials make them one of the interesting candidates for replacing conventional solar cells. However, the different aspects of their properties including mechanical strength and stability are not well recognized. Therefore, in the present study, we aim to explore the chaotic responses of these organic solar cells. In doing so, a specific type of organic solar cell constructed from layers of material with different thicknesses is considered to obtain vibrational and chaotic responses under different boundaries and initial conditions. A square plate structure is examined with first-order shear deformation theory to acquire the displacement field in the laminated structure. The bounding between different layers is considered to be perfect with no sliding and separation. On the other hand, nonlocal elasticity theory is engaged in incorporating the structural effects of the organic material into calculations. Hamilton's principle is adopted to obtain governing equations with regard to boundary conditions and mechanical loadings. The extracted equations of motion were solved using the perturbation method and differential quadrature approach. The results demonstrated the significant effect of relative glass layer thickness on the chaotic behavior of the structure with higher relative thickness leading to less chaotic responses. Moreover, a comprehensive parameter study is presented to examine the effects of nonlocality and relative thicknesses on the natural frequency of square organic solar cell structure.
Evaluation of tunnel performance in seismic-prone areas demands efficient means of estimating performance at different hazard levels. The present study introduces an innovative push-over analysis approach which employs the standard earthquake spectrum to simulate the performance of a tunnel. The numerical simulation has taken into account the lining and surrounding rock to calculate the rock-tunnel interaction subjected to a static push-over displacement regime. Elastic perfectly plastic models for the lining and hardening strain rock medium were used to portray the development of plastic hinges, nonlinear deformation, and performance of the tunnel structure. Separately using a computational algorithm, the non-linear response spectrum was approximated from the average shear strain of the rock model. A NATM tunnel in Turkey was chosen for parametric study. A seismic performance curve and two performance thresholds are introduced that are based on the proposed nonlinear seismic static loading approach and the formation of plastic hinges. The tunnel model was also subjected to a harmonic excitation with a smooth response spectrum and different amplitudes in the fully-dynamic phase to assess the accuracy of the approach. The parametric study investigated the effects of the lining stiffness and capacity and soil stiffness on the seismic performance of the tunnel.
Saba Faghirnejad;Denise-Penelope N. Kontoni;Mohammad Reza Ghasemi
Earthquakes and Structures
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v.27
no.4
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pp.285-302
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2024
Conducting nonlinear pushover analysis typically demands intricate and resource-intensive computational efforts, involving a highly iterative process necessary for meeting both design-defined and requirements of codes in performance-based design. This study presents a computer-based technique for reinforced concrete (RC) buildings, incorporating optimization numerical approaches, optimality criteria and pushover analysis to automatically enhance seismic design performance. The optimal design of concrete beams, columns and shear walls in concrete frames is presented using the artificial bee colony optimization algorithm. The methodology is applied to three frames: a 4-story, an 8-story and a 12-story. These structures are designed to minimize overall weight while satisfying the levels of performance including Life Safety (LS), Collapse Prevention (CP), and Immediate Occupancy (IO). The process involves three main steps: first, optimization codes are implemented in MATLAB software, and the OpenSees software is used for nonlinear static analysis. By solving the optimization problem, several top designs are obtained for each frame and shear wall. Pushover analysis is conducted considering the constraints on relative displacement and plastic hinge rotation based on the nonlinear provisions of the FEMA356 nonlinear provisions to achieve each level of performance. Subsequently, convergence, pushover, and drift history curves are plotted for each frame, and leading to the selection of the best design. The results demonstrate that the algorithm effectively achieves optimal designs with reduced weight, meeting the desired performance criteria.
Kim, Jin-Il;Ha, Su-Bok;Sung, Dae-Jung;Kim, Mun-Young;Shin, Hyun-Mock
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.6
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pp.655-662
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2011
For analyzing seismic performance of long-span bridge for multi-support excitation and preparing technically and efficiently for a variety of design demands, the new module on multiple excitation was built in a reliable non-linear analysis program(RCAHEST) by using Influence Line Method, and the study on structures was performed previously. Also, the result of the analysis through RCAHEST was compared and verified with commercial finite element analysis program SAP2000 by using the feature of Multi-Support Excitation. From these results, nonlinear time history analysis considering multi-support excitation was studied after designing FE model of Incheon cable-stayed bridge. It was proved that the maximum response of horizontal displacement decreased as the time delay was increasing at all nodes of bridge. And then the serviceability of analysis model was evaluated by performing ultimate analysis under changes in maximum acceleration of seismic load data.
Societal interest on a faster transportation demands an increase of the train speed exceeding current operation speed of 350 km/h. To trace the pattern of variations in displacements and subsoil stresses in the concrete slab track system, finite element simulations were conducted. For a simple track-vehicle modeling, a mass-point system representing the moving train load was developed. Dynamic responses with various train speeds from 100 to 700 km/h were investigated. As train speeds increase the displacement at rail and subsoil increases nonlinearly, whereas significant dynamic amplification at the critical velocity has not been found. At low train speed, the velocity of elastic wave carrying elastic energy is faster than the train speed. At high train speed exceeding 400 km/h, however, the train speed is approximately identical to the elastic wave velocity. Nonlinearity in the stress history in subsoil is amplified with increasing train speeds, which may cause significant plastic strains in path-dependent subsoil materials.
The wear of engine valve and seat insert is one of the most important factors which affect engine performance. Because of higher demands on performance and the increasing use of alternative fuel, engine valve and seat insert are challenged with greater wear problems than in the past. In order to solve the above problems, a simulator was developed to be able to generate and control high temperatures and various speeds during motion. The wear simulator is considered to be a valid simulation of the engine valve and seat insert wear process with various speeds during engine activity. This work focuses on the different degrees of wear at three different singular test speeds (10 Hz, 25 Hz & multi-Hz). For this study, the temperature of the outer surface of the seat insert was controlled at 350$^{\circ}C$, and the test load was 1960 N. The test cycle number was $6.0{\times}10^6$. The mean ($\pm$standard error) wear depth of the valve at 10 Hz and 25 Hz was 45.1 ($\pm$3.7)$\mu$m and 81.7 ($\pm$2.5)$\mu$m, respectively. The mean wear depth of the seat insert at 10 Hz and 25 Hz was 52.7 ($\pm$3.9)$\mu$m and 91.2 ($\pm$2.7)$\mu$m, respectively. In the case of multi-Hz it was 70.7 ($\pm$2.4)$\mu$m and 77.4 ($\pm$3.8)$\mu$m, respectively. It was found that higher speed (25 Hz) cause a greater degree of wear than lower speed (10 Hz) under identical test condition (temperature, valve displacement, cycle number and test load). In the wear mechanisms of valves, adhesive wear, shear strain and abrasive wear could be observed. Also, in the wear mechanisms of seat inserts, adhesive wear, surface fatigue wear and abrasive wear could be observed.
In seismic analysis of moment-resisting frames, beam-column connections are often modeled with rigid joint zones. However, it has been demonstrated that, in ductile reinforced concrete (RC) moment-resisting frames designed based on current codes (to say nothing of older non-ductile frames), the joint zones are in fact not rigid, but rather undergo significant shear deformations that contribute greatly to global drift. Therefore, the "rigid joint" assumption may result in misinterpretation of the global performance characteristics of frames and could consequently lead to miscalculation of strength and ductility demands on constituent frame members. The primary objective of this paper is to propose a rational method for estimating the hysteretic joint shear behavior of RC connections and for incorporating this behavior into frame analysis. The authors tested four RC edge beam-column-slab connection subassemblies subjected to earthquake-type lateral loading; hysteretic joint shear behavior is investigated based on these tests and other laboratory tests reported in the literature. An analytical scheme employing the modified compression field theory (MCFT) is developed to approximate joint shear stress vs. joint shear strain response. A connection model capable of explicitly considering hysteretic joint shear behavior is then formulated for nonlinear structural analysis. In the model, a joint is represented by rigid elements located along the joint edges and nonlinear rotational springs embedded in one of the four hinges linking adjacent rigid elements. The connection model is able to well represent the experimental hysteretic joint shear behavior and overall load-displacement response of connection subassemblies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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