In the current work, a series of seismic analyses of one-storey asymmetrical reinforced concrete (R/C) framed buildings is accomplished while the effect of soil deformability on the structural response is investigated. A comparison is performed between the simplified elastic behavior of R/C elements according to the structural regulations' instructions to the possible non-linear behavior of R/C elements under actual circumstances. The target of the time history analyses is the elucidation of the Soil-Structure Interaction (SSI) effect in the seismic behavior of common R/C structures by examining the possible elastic or elastoplastic behavior of R/C sections because of the redistribution of the internal forces by employing a realistic damage index. The conclusions acquired from the presented elastic and elastoplastic analyses supply practical guidelines towards the safer design of structures.
Tall Buildings have been one of the most prominent symbols of economic growth for nearly a century. Yet, in the aftermath of the tragedies of September 11, "signature" Tall buildings have become the focus of much debate. The structural systems today are undergoing a major evolution to address the ability of providing flexibility in the design and use of the building together with sustainability (Green) and cost-effective system. This paper describes a new invented structural system, evolutionary structural analysis and design of Tall buildings, which involves the entire analysis process, including conceptual and design stages and comparison with the existing Tall building. This study presents an new innovative structural system, Beehive (Hexagrid), for Tall buildings. The final results are achieved by modeling an 80 story Tall building with the optimized angle and topology of hexagon members by using a computer analysis, ETABS finite element analysis. The objective function of this system is to use one structural system in order to both maximize Eigen frequency for resisting dynamic responses and minimize mean compliance for static responses. Finite element analysis is carried out by using standardized materials. Optimal Hexagrid topologies with the highest stiffness are finally determined to resist both static and dynamic behaviors. Holistic design integration approaches between structures and facades to save energy for environmental control are studied. Innovative design ideas to control structural motion as well as to utilize that motion to harness energy are discussed. Considering abundant emergence of tall buildings all over the world in recent years, the importance of the studies presented in this paper cannot be overemphasized for constructing more sustainable built environments.
The use of concrete filling offers a practical alternative for achieving the required stability of steel Hollow Structural Section (HSS) columns under fire conditions. However, current methods for evaluating fire resistance of Concrete Filled Hollow Structural Steel (CFHSS) columns are highly conservative as they are based on an elemental approach without due consideration to structural interactions that occur in framed structural systems. To overcome this limitation, a system level fire resistance analysis was carried out by treating CFHSS columns as part of an overall structural frame. In this analysis, an eight story steel-framed building was modeled under a range of standard and performance-based fire scenarios (including multi-story progressive burn-out fires) to evaluate the contribution of various structural members/assemblies to overall fire resistance. One of the primary factors considered was the use of concrete filling in HSS columns as an alternative to standard W-shape columns. Results from the analysis indicate that the use of CFHSS columns, in place of W-shape columns, in a performance-based environment can fully eliminate the need for applied fire protection to columns, while providing the required level of structural fire resistance.
This paper presents an optimal pattern for distributing stiffness along a framed tube structure through an analytic equation, which may be used during the preliminary design stage. Most studies in this field are computationally intensive and time consuming, while a hand-calculation method, as presented here, is a more suitable tool for sensitivity analyses and parametric studies. Approach in development of the analytic model is to minimize the mean compliance (external work) for a given volume of material. A variational statement of the problem is made, and a specified deformation-profile is obtained as the necessary condition for a minimum; enforcing this condition, stiffness is then computed. Due to some near-zero values for stiffness, the problem is modified by considering a lower bound constraint. To deal with this constraint, the design domain is assumed to be divided into two zones of constant stiffness and constant curvature; and the problem is restated in terms of these concepts. It will be shown that this methodology allows for easy computation of stiffness through an analytic and dimensionless equation, valid in any system of units. To show practicality of the proposed method, a tubed-system structure with uniform stiffness distribution is redesigned using the proposed model. Comparative analyses of the results reveal that in addition to simplicity of the proposed method, it provides a rather high degree of accuracy for real-world problems.
Reinforced concrete buildings with shearwalls are very efficient to resist earthquake disturbances. In general, reinforced concrete frames are governed by flexure and shearwalls are governed by shear. If a structure included both frames and shearwalls, it is generally governed by shearwalls. However, the ductility of ordinary reinforced concrete is very limited. To improve the ductility, a series of tests on framed shearwalls made of corrugated steel was performed previously and the experimental results were compared with ordinary reinforced concrete frames and shearwalls. It was found that ductility of framed shearwalls could be greatly improved if the thickness of the corrugated steel wall is appropriate to the surrounding reinforced concrete frame. In this paper, an analytical model is developed to predict the horizontal load-displacement relationship of hybrid reinforced concrete frame-steel wall systems according to the analogy of truss models. This analytical model is based on equilibrium and compatibility conditions as well as constitutive laws of corrugated steel. The analytical predictions are compared with the results of tests reported in the previous paper. It is found that proposed analytical model can predict the test results with acceptable accuracy.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.3-10
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2001
The box system that is composed only of reinforced concrete walls and slabs are adopted on many high-rise apartment buildings recently constructed in Korea. And the framed structure with shear wall core that can effectively resist horizontal forces is frequently adopted for the structural system for high-rise building structures. In these structures, a shear wall may have one or more openings for functional reasons. It is necessary to use subdivided finite elements for accurate analysis of the shear wall with openings. But it would take tremendous amount of computational time and memory if the entire building structure is subdivided into a finer mesh . An efficient analysis method that can be used regardless of the number, size and location of openings is proposed in this study, The analysis method uses super element, substructure, matrix condensation technique and fictitious beam technique. Three-dimensional analyses of the box system and the framed structure with shear wall core having various types of openings were performed to verify the efficiency of the proposed method. It was confirmed that the proposed method have outstanding accuracy with drastically reduced time and computer memory from the analyses of example structures.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.03a
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pp.329-336
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2003
The box system that is composed only of reinforced concrete walls and slabs are adopted on many high-rise apartment buildings recently constructed in Korea. And the framed structure with shear wall core that can effectively resist horizontal forces is frequently adopted for the structural system for high-rise building structures. In these structures, a shear wall may have one or more openings for functional reasons. It is necessary to use subdivided finite elements for accurate analysis of the shear wall with openings. But it would take significant amount of computational time and memory if the entire building structure is subdivided into a finer mesh. An efficient analysis method that can be used regardless of the number, size and location of openings is proposed in this study. The analysis method uses super element, substructure, matrix condensation technique and fictitious beam technique. Three-dimensional analyses of the box system and the framed structure with shear wall core having various types of openings were peformed to verify the efficiency of the proposed method. It was confirmed that the proposed method have outstanding accuracy with drastically reduced time and computer memory from the analyses of example structures.
Safety and structural integrity of civil structures, like bridges and buildings, can be substantially enhanced by employing appropriate structural health monitoring (SHM) techniques for timely diagnosis of incipient damages. The information gathered from health monitoring of important infrastructure helps in making informed decisions on their maintenance. This ensures smooth, uninterrupted operation of the civil infrastructure and also cuts down the overall maintenance cost. With an early warning system, SHM can protect human life during major structural failures. A real-time online damage localization technique is proposed using only the vibration measurements in this paper. The concept of the 'Degree of Scatter' (DoS) of the vibration measurements is used to generate a spatial profile, and fractal dimension theory is used for damage detection and localization in the proposed two-phase algorithm. Further, it ensures robustness against environmental and operational variability (EoV). The proposed method works only with output-only responses and does not require correlated finite element models. Investigations are carried out to test the presented algorithm, using the synthetic data generated from a simply supported beam, a 25-storey shear building model, and also experimental data obtained from the lab-level experiments on a steel I-beam and a ten-storey framed structure. The investigations suggest that the proposed damage localization algorithm is capable of isolating the influence of the confounding factors associated with EoV while detecting and localizing damage even with noisy measurements.
Near-fault ground motions are characterized by high values of the ratio between the peak of vertical and horizontal ground accelerations, which can significantly affect the nonlinear response of a base-isolated structure. To check the effectiveness of different base-isolation systems for retrofitting a r.c. framed structure located in a near-fault area, a numerical investigation is carried out analyzing the nonlinear dynamic response of the fixed-base and isolated structures. For this purpose, a six-storey r.c. framed building is supposed to be retrofitted by insertion of an isolation system at the base for attaining performance levels imposed by current Italian code in a high-risk seismic zone. In particular, elastomeric (e.g., high-damping-laminated-rubber bearings, HDLRBs) and friction (e.g., steel-PTFE sliding bearings, SBs, or friction pendulum bearings, FPBs) isolators are considered, with reference to three cases of base isolation: HDLRBs acting alone (i.e., EBI structures); in-parallel combination of HDLRBs and SBs (i.e., EFBI structures); FPBs acting alone (i.e., FPBI structures). Different values of the stiffness ratio, defined as the ratio between the vertical and horizontal stiffnesses of the HDLRBs, sliding ratio, defined as the global sliding force divided by the maximum sliding force of the SBs, and in-plan distribution of friction coefficient for the FPs are investigated. The EBI, EFBI and FPBI base-isolation systems are designed assuming the same values of the fundamental vibration period and equivalent viscous damping ratio. The nonlinear dynamic analysis is carried out with reference to near-fault earthquakes, selected and scaled on the design hypotheses adopted for the test structures.
Fire incident in buildings is common, so the fire safety design of the framed structure is imperative, especially for the unprotected or partly protected bare steel frames. However, software for structural fire analysis is not widely available. As a result, the performance-based structural fire design is urged on the basis of using user-friendly and conventional nonlinear computer analysis programs so that engineers do not need to acquire new structural analysis software for structural fire analysis and design. The tool is desired to have the capacity of simulating the different fire scenarios and associated detrimental effects efficiently, which includes second-order P-D and P-d effects and material yielding. Also the nonlinear behaviour of large-scale structure becomes complicated when under fire, and thus its simulation relies on an efficient and effective numerical analysis to cope with intricate nonlinear effects due to fire. To this end, the present fire study utilizes a second-order elastic/plastic analysis software NIDA to predict structural behaviour of bare steel framed structures at elevated temperatures. This fire study considers thermal expansion and material degradation due to heating. Degradation of material strength with increasing temperature is included by a set of temperature-stress-strain curves according to BS5950 Part 8 mainly, which implicitly allows for creep deformation. This finite element stiffness formulation of beam-column elements is derived from the fifth-order PEP element which facilitates the computer modeling by one member per element. The Newton-Raphson method is used in the nonlinear solution procedure in order to trace the nonlinear equilibrium path at specified elevated temperatures. Several numerical and experimental verifications of framed structures are presented and compared against solutions in literature. The proposed method permits engineers to adopt the performance-based structural fire analysis and design using typical second-order nonlinear structural analysis software.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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