The cyclic behavior and energy dissipation mechanism of short coupling beams with various reinforcement layouts were studied. For numerical analysis of coupling beams, nonlinear truss model was used. The results of numerical analysis showed that the coupling beams with conventional reinforcement layout showed pinched cyclic behavior without significant energy dissipation, whereas the coupling beams with diagonal reinforcement exhibited stable cyclic behavior without pinching. The energy dissipation of the coupling beams was developed mainly by diagonal reinforcing bars developing large plastic strains rather than concrete which is a brittle material Based on this result, simplified equations for evaluating the energy dissipation of coupling beams were developed. For verification, the predicted energy dissipation was compared with the test results. The results showed that the simplified equations can predict the energy dissipation of short coupling beams with shear span-to-depth ratio less than 1.25 with reasonable precision, addressing various design parameters such as reinforcement layout, shear span-to-depth ratio, and the magnitude of inelastic displacement. The proposed energy equations can be easily applied to performance-based seismic evaluation and design of reinforced concrete structures and members.
A concentric braced steel frame is a very efficient structural system because it requires relatively smaller amount of materials to resist lateral forces. However, primarily developed as a structural system to resist wind loads based on an assumption that the structure behaves elastically, a concentric braced frame possibly experiences the deterioration in energy dissipation after brace buckling and the brittle failure of braces and connections when earthquake loads cause inelastic behavior. Consequently, plastic deformation is concentrated in the floor where brace buckling occurs first, which can lead to the rupture of the structure. This study suggests reinforcing H-shaped braces with non-welded cold-formed stiffeners to restrain flexure and buckling and resist tensile force and compressive force equally. Weak-axis reinforcing members (2 pieces) developed from those suggested in previous studies (4 pieces) were used to reinforce the H-shaped braces in an inverted V-type braced frame. Monotonic loading tests, finite element analysis and cyclic loading tests were carried out to evaluate the structural performance of the reinforced braces and frames. The reinforced braces satisfied the AISC requirement. The reinforcement suggested in this study is expected to prevent the rupture of beams caused by the unbalanced resistance of the braces.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.09a
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pp.263-270
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2003
Before the implementation of the 1992 seismic design provisions in Korea, longitudinal steels of RC bridge piers were practically lap-spliced in the plastic hinge region. Experimental investigation was made to evaluate the seismic performance of RC bridge pier specimens in a flexure/shear mode. Six circular test specimens in an aspect ratio of 2.5 (600mm in diameter) were made with test parameters confinement ratio, lap splices, and retrofit FRP materials. They were damaged under a series of artificial earthquakes with 0.22g PGA, being compatible in Korean peninsula, through the pseudo-dynamic test. Probable damages were assessed by the Park and Ang damage index. Approximate 0.1 and 0.3 damage indices were obtained for RC specimens without lap splice and with lap splice, respectively. Directly after the pseudo-dynamic test, damaged test columns were laterally actuated under inelastic reversal cyclic loadings simultaneously under a constant axial load. Through curvature measurements, residual seismic performance was evaluated for test specimens. Test results show that RC pier specimens with lap-spliced appeared to fail at low ductility, but significant improvement was obtained for the ductility of these specimens if externally wrapped with FRP.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.479-486
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2002
In this study, the progressive inelastic deformation, so called, thermal ratchet phenomenon which can occur in high temperature structures of liquid metal reactor was simulated with thermal ratchet structural test facility and 316L stainless steel test cylinder. The thermal ratchet deformation at the reactor baffle cylinder of the liquid metal reactor can occur due to the moving temperature distribution along the axial direction as the sodium free surface moves up and down under the cyclic heat-up and cool-down transients. The ratchet deformation was measured with the laser displacement sensor and LVDTs after cooling the structural specimen which is heated up to 55$0^{\circ}C$ with steep temperature gradients along the axial direction. The temperature distribution of the test cylinder along the axial direction was measured with 28 channels of thermocouples and was used for the ratchet analysis. The thermal ratchet deformation was analyzed with the constitutive equation of nonlinear combined hardening model which was implemented as ABAQUS user subroutine and the analysis results were compared with those of the test. Thermal ratchet load was applied 9 times and the residual displacement after 9 cycles of thermal load was measured to be 1.79mm. The ratcheting deformation shapes obtained by the analysis with the combined hardening model were in reasonable agreement with those of the structural tests.
The paper presents a simplified force-based seismic design procedure for the preliminary design of steel haunch retrofitting for the seismic upgrade of deficient RC frames. The procedure involved constructing a site-specific seismic design spectrum for the site, which is transformed into seismic base shear coefficient demand, using an applicable response modification factor, that defines base shear force for seismic analysis of the structure. Recent experimental campaign; involving shake table testing of ten (10), and quasi-static cyclic testing of two (02), 1:3 reduced scale RC frame models, carried out for the seismic performance assessment of both deficient and retrofitted structures has provided the basis to calculate retrofit-specific response modification factor Rretrofitted. The haunch retrofitting technique enhanced the structural stiffness, strength, and ductility, hence, increased the structural response modification factor, which is mainly dependent on the applied retrofit scheme. An additional retrofit effectiveness factor (ΩR) is proposed for the deficient structure's response modification factor Rdeficient, representing the retrofit effectiveness (ΩR=Rretrofitted /Rdeficient), to calculate components' moment and shear demands for the retrofitted structure. The experimental campaign revealed that regardless of the deficient structures' characteristics, the ΩR factor remains fairly the unchanged, which is encouraging to generalize the design procedure. Haunch configuration is finalized that avoid brittle hinging of beam-column joints and ensure ductile beam yielding. Example case study for the seismic retrofit designs of RC frames are presented, which were validated through equivalent lateral load analysis using elastic model and response history analysis of finite-element based inelastic model, showing reasonable performance of the proposed design procedure. The proposed design has the advantage to provide a seismic zone-specific design solution, and also, to suggest if any additional measure is required to enhance the strength/deformability of beams and columns.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.1
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pp.1-10
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1997
Current seismic design philosophy for reinforced concrete (RC) structures on energy dissipation through large inelastic defomations. A nonlinear dynamic analysis which is used to represent this behavior is time consuming and expensive, particularly if the computations have to be repeated many times. Therefore, the selection of an efficient yet accurate alogorithm becomes important. The main objective of the present study is to propose a new technique herein called the prediction approach with siffness measure (PASM) method in the convetional direct integration methods, the triangular decomposition of matrix is required for solving equations of motion in every time step or every iteration. The PASM method uses a limited number of predetermined decomposed effective matrices obtained from stiffness states of the structure when it is deformed into the nonlinear range by statically applied cyclic loading. The method to be developed herein will reduce the overall numerical effort when compared to approaches which recompute the stiffness in each time step or iteration.
Conventional nonlinear finite element analysis requires complicated modeling and analytical technique. Furthermore, it is difficult to interpret the analytical results presented as the stress-strain relationship. In the present study, a design-oriented analytical method using the truss model was developed. A reinforced concrete member to be analyzed was idealized by longitudinal, transverse, and diagonal line elements. Basically, each element was modeled as a composite element of concrete and re-bars. Simplified cyclic models for the concrete and re-bar elements were developed. RC beams and walls with various reinforcement details were analyzed by the proposed method. The inelastic strength, energy dissipation capacity, deformability, and failure mode predicted by the proposed method were compared with those of existing experiments. The results showed that the proposed model accurately predicted the strength and energy dissipation capacities, and to predict deformability of the members, the compression-softening model used for the concrete strut element must be improved.
Plastic deformation of roadbed influences the stability and maintenance of concrete slab track. Long-term plastic deformation in a railway roadbed is generated primarily due to accumulated inelastic strains caused by repeated passing of trains. Prediction of cumulative plastic deformation is important in cost-effective maintenance of railway tracks as well as for the safe operation of trains. In this study, the vertical displacements in railway roadbeds with different thicknesses of reinforced roadbed were computed. Parameters of the power model for cumulative plastic strain were calibrated by using the data from triaxial tests and full-scale loading tests. Results of three-dimensional finite element analyses of standard roadbed sections provide us with design guidelines for the selection of the thickness of reinforced roadbed.
Many studies reveal that during destructive earthquakes, most of the structures enter the inelastic phase. The amount of hysteretic energy in a structure is considered as an important criterion in structure design and an important indicator for the degree of its damage or vulnerability. The hysteretic energy value wasted after the structure yields is the most important component of the energy equation that affects the structures system damage thereof. Controlling this value of energy leads to controlling the structure behavior. Here, for the first time, the hysteretic behavior and energy dissipation capacity are assessed at presence of elliptical braced resisting frames (ELBRFs), through an experimental study and numerical analysis of FEM. The ELBRFs are of lateral load systems, when located in the middle bay of the frame and connected properly to the beams and columns, in addition to improving the structural behavior, do not have the problem of architectural space in the bracing systems. The energy dissipation capacity is assessed in four frames of small single-story single-bay ELBRFs at ½ scale with different accessories, and compared with SMRF and X-bracing systems. The frames are analyzed through a nonlinear FEM and a quasi-static cyclic loading. The performance features here consist of hysteresis behavior, plasticity factor, energy dissipation, resistance and stiffness variation, shear strength and Von-Mises stress distribution. The test results indicate that the good behavior of the elliptical bracing resisting frame improves strength, stiffness, ductility and dissipated energy capacity in a significant manner.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.1
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pp.79-93
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1998
The eigenvalue problem is presented for the building with added viscoelastic dampers by using component mode method. The Lagrange multiplier formulation is used to derive the eigenvalue problem which is expressed with the natural frequencies of the building, the mode components at which the dampers are added, and the viscoelastic property of the damper. The derived eigenvalue problem has a nonstandard form for determining the eigenvalues. Therefore, the problem is examined by the graphical depiction to give new insight into the eigenvalues for the building with added viscoelastic dampers. Using the present approach the exact eigenvalues can be found and also upper and lower bounds of the eigenvalues can be obtained.
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