For energy-based seismic design, a simplified normalized cumulative hysteretic energy spectrum proposed for obtaining hysteretic energy as energy demand is the main objective in this paper. The dimensionless parameter, ${\beta}_{Eh}$, is presented to express hysteretic energy indirectly. The ${\beta}_{Eh}$ spectrum is constructed directly through subtracting the hysteretic energy of single degree-of-freedom (SDOF) system energy equation. The simplified ${\beta}_{Eh}$ spectral formulation as well as pseudo-acceleration spectrum of modern seismic provisions is developed based on the regression analysis of the large number of seismic responses of SDOF system subjected to earthquake excitations, which considers the influence of earthquake event, soil type, damping ratio, and ductility factor. The relationship between PGV and PGA is established according to the statistical analysis relied on a total of 422 ground motion records. The combination of ${\beta}_{Eh}$ spectrum and PGV/PGA equation allows determining the cumulative hysteretic energy as a main aseismic design indicator.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.63-69
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2003
In this study seismic design procedure for buckling-restrained braced frame systems was proposed using hysteretic energy spectrum and accumulated ductility spectrum constructed from single degree of freedom systems. The hysteretic energy spectra and accumulated ductility spectra corresponding to target ductility ratio were constructed first. The cross-sectional area of braces required to meet a given target displacement was obtained by equating the hysteretic energy demand to the accumulated plastic energy dissipated by braces. Twenty earthquake records were utilized to construct the spectra and to verify the validity of the design procedure. According to analysis results of three- and eight-story buckling-restrained braced frame structures designed using the proposed method, the mean values for the top story displacement correspond well with the given performance target displacements. Also, the inter-story drifts turned out to be relatively uniform over the structure height, which is desirable because uniform inter-story drifts indicate uniform damage distribution. Therefore if was concluded that the proposed energy-based method could be a reliable alternative to conventional strength-based design procedure for structures with buckling-restrained braces.
Samimifar, Maryam;Massumi, Ali;Moghadam, Abdolreza S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.3
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pp.289-301
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2019
Hysteretic energy is defined as energy dissipated through inelastic deformations during a ground motion by the system. It includes frequency content and duration of ground motion as two remarkable parameters, while these characteristics are not seen in displacement spectrum. Since maximum displacement individually cannot be the appropriate criterion for damage assessment, hysteretic energy has been evaluated in this research as a more comprehensive seismic demand parameter. An innovative methodology has been proposed to establish a new equivalent linear model to estimate hysteretic energy spectrum for bilinear SDOF models under two different sets of earthquake excitations. Error minimization has been defined in the space of equivalent linearization concept, which resulted in equivalent damping and equivalent period as representative parameters of the linear model. Nonlinear regression analysis was carried out for predicting these equivalent parameter as a function of ductility. The results also indicate differences between seismic demand characteristics of far-field and near-field ground motions, which are not identified by most of previous equations presented for predicting seismic energy. The main advantage of the proposed model is its independency on parameters related to earthquake and response characteristics, which has led to more efficiency as well as simplicity. The capability of providing a practical energy based seismic performance evaluation is another outstanding feature of the proposed model.
Structures are designed in such a way that they behave in a nonlinear manner when subject to strong ground motions. Energy concepts have been widely used to evaluate the structural performance for the last few decades. Energy based design can be expressed as the balance of energy input and the energy dissipation capacity of the structure. New research is needed for multi degree of freedom systems (MDOFs)-real structures- within the framework of the energy based design methodology. In this paper, energy parameters are evaluated for low-, medium- and high-rise steel special concentrically braced frames (SCBFs) in terms of total energy input and hysteretic energy. Nonlinear dynamic time history analyses are carried out to assess the variation of energy terms along the height of the frames. A seismic energy demand spectrum is developed and hysteretic energy distributions within the frames are presented.
A simplified seismic design procedure for steel structures with buckling-restrained braces (BRB) was proposed based on the energy balance concept and the equal energy assumption. The input seismic energy was estimated from a design spectrum, and the elastic and hysteretic energy were computed using energy balance concept. The size of braces was determined so that the hysteretic energy demand was equal to the hysteretic energy dissipated by the BRB. The validity of using equivalent single-degree-of-freedom systems to estimate seismic input and hysteretic energy demand in multi story structures with BRB was investigated through time-history analysis. The story-wise distribution pattern of hysteretic energy demands was also obtained and was applied in the design process. According to analysis results, the maximum displacements of the 3-story structure designed in accordance with the proposed procedure generally coincided with the target displacements on the conservative side. The maximum displacements of the 6- and 8-story structures, however, turned out to be somewhat smaller than the target values due to the participation of higher vibration modes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.04a
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pp.406-413
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2001
The energy dissipation or damage prevention capability of structure can be greatly enhanced by employing hysteretic dampers. According to recent studies by the authors, the ratio of hysteretic damper stiffness to structural story stiffness has been identified as one of the most important parameters for characterizing the performance of this damper In this study the method for determining appropriate properties of hysteretic dampers to satisfy the given performance objectives is developed based on the concept of capacity spectrum method. The comparison with the results from inelastic time history analysis proves that the hysteretic dampers designed from the proposed method restrains the displacement well within the target displacement.
The typical inerter system, the tuned viscous mass damper (TVMD), has been proven to be efficient. It is characterized by an energy-dissipation-enhancement effect, whereby the dashpot deformation of TVMD can be amplified for enhanced energy dissipation efficiency. However, existing studies related to TVMD have mainly been performed on elastic structures, so the working mechanism remains unclear for nonlinear structures. To deal with this, an energy-spectrum analysis framework is developed systematically for classic bilinear hysteretic structures with TVMD. Considering the soil effect, typical bedrock records are propagated through the soil deposit, for which the designed input energy spectra are proposed by considering the TVMD parameters and structural nonlinear properties. Furthermore, the energy-dissipation-enhancement effect of TVMD is quantitatively evaluated for bilinear hysteretic structures. The results show that the established designed input energy spectra can be employed to evaluate the total energy-dissipation burden for a nonlinear TVMD structure. Particularly, the stiffness of TVMD is the dominant factor in adjusting the total input energy. Compared with the case of elastic structures, the energy-dissipation-enhancement effect of TVMD for nonlinear structures is weakened so that the expected energy-dissipation effect of TVMD is replaced by the accumulated energy dissipation of the primary structure.
The energy-based approach to predict the fatigue crack growth behavior under constant and variable amplitude loading (VAL) of the aluminum alloy 2024 T351 has been investigated and detailed analyses discussed. Firstly, the plastic strain energy was determined per cycle for different block load tests. The relationship between the crack advance and hysteretic energy dissipated per block can be represented by a power law. Then, an analytical model to estimate the lifetime for each spectrum is proposed. The results obtained are compared with the experimentally measured results and the models proposed by Klingbeil's model and Tracey's model. The evolution of the hysteretic energy dissipated per block is shown similar with that observed under constant amplitude loading.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.25-32
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1998
Most recent seismic design codes include Response Modification Factor(RMF) for determining equivalent lateral forces. The RMF is used to reduce the linear elastic design spectrum to account for the energy dissipation capacity, overstrength and damping of the structure. In this study the RMF is defined as the ratio of the absolute maximum linear elastic base shear to the absolute maximum nonlinear base shear of a structure subject to the same earthquake accelerogram. This study investigates the effect of hysteretic model, as well as target ductility ratio and natural period on duct based RMF using nonlinear dynamic analyses of the SDOF systems. Special emphasis is given to the effects of the hysteretic characteristics such as strength deterioration and stiffness degradation. Results indicate that RMFs are dependent on ductility, period and hysteretic model.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.04a
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pp.361-367
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2001
This research aims at evaluating the seismic performance of the R/C bridge piers, which were seismically designed in accordance with the seismic provision of limited ductile behavior of Eurocode 8. Pseudo dynamic test for six(6) circular RC bridge piers has been carried out so at to investigate their seismic performance subjected to experted artificial earthquake motions. The objective of this experimental study is to investigate the hysteretic behavior of reinforced concrete bridge piers. Important test parameters are confinement steel ratio, input ground motion, etc. The seismic behavior of circular concrete piers under artificial ground motions has been evaluated through displacement ductility, energy analysis, capacity spectrum. It can be concluded that RC bridge piers designed in the seismic code of limited ductile behavior of Eurocode 8 have been determined to show good seismic performance even under expected artificial earthquakes in moderate seismicity region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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