Hajirasouliha, Iman;Pilakoutas, Kypros;Mohammadi, Reza K.
Steel and Composite Structures
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v.20
no.2
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pp.317-335
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2016
Concentrically braced steel frames (CBFs) can be optimised during the seismic design process by using lateral loading distributions derived from the concept of uniform damage distribution. However, it is not known how such structures are affected by uncertainties. This study aims to quantify and manage the effects of structural and ground-motion uncertainty on the seismic performance of optimum and conventionally designed CBFs. Extensive nonlinear dynamic analyses are performed on 5, 10 and 15-storey frames to investigate the effects of storey shear-strength and damping ratio uncertainties by using the Monte Carlo simulation method. For typical uncertainties in conventional steel frames, optimum design frames always exhibit considerably less inter-storey drift and cumulative damage compared to frames designed based on IBC-2012. However, it is noted that optimum structures are in general more sensitive to the random variation of storey shear-strength. It is shown that up to 50% variation in damping ratio does not affect the seismic performance of the optimum design frames compared to their code-based counterparts. Finally, the results indicate that the ground-motion uncertainty can be efficiently managed by optimizing CBFs based on the average of a set of synthetic earthquakes representing a design spectrum. Compared to code-based design structures, CBFs designed with the proposed average patterns exhibit up to 54% less maximum inter-storey drift and 73% less cumulative damage under design earthquakes. It is concluded that the optimisation procedure presented is reliable and should improve the seismic performance of CBFs.
Sy, Jose A.;Anwar, Naveed;HtutAung, Thaung;Rayamajhi, Deepak
International Journal of High-Rise Buildings
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v.1
no.3
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pp.203-209
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2012
The purpose of this paper is to present the state of practice being used in the Philippines for the performance-based seismic design of reinforced concrete tall buildings. Initially, the overall methodology follows "An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings Located in the Los Angeles Region, 2008", which was developed by Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council. After 2010, the design procedure follows "Tall Buildings Initiative, Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings, 2010" developed by Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER). After the completion of preliminary design in accordance with code-based design procedures, the performance of the building is checked for serviceable behaviour for frequent earthquakes (50% probability of exceedance in 30 years, i.e,, with 43-year return period) and very low probability of collapse under extremely rare earthquakes (2% of probability of exceedance in 50 years, i.e., 2475-year return period). In the analysis, finite element models with various complexity and refinements are used in different types of analyses using, linear-static, multi-mode pushover, and nonlinear-dynamic analyses, as appropriate. Site-specific seismic input ground motions are used to check the level of performance under the potential hazard, which is likely to be experienced. Sample project conducted using performance-based seismic design procedures is also briefly presented.
In this study, it is aimed to investigate the vertical seismic performance of reinforced concrete (R/C) frame buildings in two different building stocks, one of which consists of those designed as per the previous Turkish Seismic Code (TSC-2007) that does not consider the vertical earthquake load, and the other of which consists of those designed as per the new Turkish Seismic Code (TSCB-2018) that considers the vertical earthquake load. For this aim, three R/C buildings with heights of 15 m, 24 m and 33 m are designed separately as per TSC-2007 and TSCB-2018 based on some limitations in terms of seismic zone, soil class and structural behavior factor (Rx/Ry) etc. The vertical earthquake motion effects are identified according to the linear time-history analyses (LTHA) that are performed separately for only horizontal (H) and combined horizontal+vertical (H+V) earthquake motions. LTHA is performed to predict how vertical earthquake motion affects the response of the designed buildings by comparing the linear response parameters of the base shear force, the base overturning, the base axial force, top-story vertical displacement. Nonlinear time-history analysis (NLTHA) is generally required for energy dissipative buildings, not required for design of buildings. In this study, the earthquake records are scaled to force the buildings in the linear range. Since nonlinear behavior is not expected from the buildings herein, the nonlinear time-history analysis (NLTHA) is not considered. Eleven earthquake acceleration records are considered by scaling them to the design spectrum given in TSCB-2018. The base shear force is obtained not to be affected from the combined H+V earthquake load for the buildings. The base overturning moment outcomes underline that the rigidity of the frame system in terms of the dimensions of the columns can be a critical parameter for the influence of the vertical earthquake motion on the buildings. In addition, the building stock from TSC-2007 is estimated to show better vertical earthquake performance than that of TSCB-2018. The vertical earthquake motion is found out to be highly effective on the base axial force of 33 m building rather than 15 m and 24 m buildings. Thus, the building height is a particularly important parameter for the base axial force. The percentage changes in the top-story vertical displacement of the buildings designed for both codes show an increase parallel to that in the base axial force results. To extrapolate more general results, it is clear to state that many buildings should be analyzed.
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.
Oh, Hyoung Woo;Chung, Myung Kyoon;Kim, Sang Chul;Yang, Keun Yung;Ha, Jin Soo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.2
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pp.254-261
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1999
An optimal design code for centrifugal pumps has been developed to determine geometric and fluid dynamic variables under appropriate design constraints. The optimization problem has been formulated with a nonlinear objective function to minimize one, two or all of the fluid dynamic losses, the net positive suction head required and the product price of a pump stage depending on the weighting factors selected as the design compromise. The optimal solution Is obtained by means of the Hooke and Jeeves direct search method. The performance analysis Is based on the mean streamline analysis using the present state-of-the-art loss correlations. The optimized efficiency and design variables of centrifugal pumps are presented in this paper as a function of non-dimensional specific speed in the range, $0.5{\leq}N$, ${\leq}1.3$. The diagrams presented herein can be used efficiently in the preliminary design phase of centrifugal pumps.
Valido, Anibal J.;Sousa, Luis G.;Cardoso, J. Barradas
Structural Engineering and Mechanics
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v.4
no.1
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pp.25-35
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1996
This paper describes a continuum variational formulation for design optimization of nonlinear structures in the elastic-plastic domain, where unloading and reloading of the structures are allowed to occur. The Total Lagrangian procedure is used for the description of the structural deformation. The direct differentiation approach is used to derive the sensitivities of the various structural response measures with respect to the design parameters. Since the material goes into the inelastic range and unloading and reloading of the structure are allowed to occur, the structural response is path dependent and an additional step is needed to integrate the constitutive equations. It can be shown, consequently, that design sensitivity analysis is also path-dependent. The theory has been discretized by the finite element technique and implemented in a structural analysis code. Mathematical programming approach is used for the optimization process. Numerical applications on trusses are performed, where cross-sectional areas and nodal point coordinates are treated as design variables. Optimal designs have been obtained and compared by using two different strategies: a two level strategy where the levels are defined accordingly the type of design variables, cross sectional areas or node coordinates, and optimizing simultaneously with respect to both types of design variables.
In some current procedures, ground motions from different sources have been scaled by their peak ground accelerations and combined to obtain smoothed response spectra for specific regions. As consideration of the inelastic deformation capacity of structure, inelastic deformations are permitted under seismic ground excitation in all codes. In the ATC(Applied Technology Council) and UBC(Uniform Building Code), the inelastic design spectrum is obtained by reducing the elastic design spectrum by a factor that is independent of structural period. In this study, the average of nonlinear response spectra calculated from a sample of 20 records for each event are constructed to obtain the smoothed response spectra. These response spectra are used to examine the effects of structural strength factors such as the yield strength ratio and damping value. Through the regression analysis of nonlinear response of system for a given damping value and yield strength ratio, the required yield strength for seismic design can be estimated for a certain earthquake event. And a response modification coefficient depending on the natural period for current seismic design specifications are proposed.
This paper describes the buckling phenomenon of a tubular truss with unsupported length through a full-scale test and presents a practical computational method for the design of the trusses allowing for the contribution of torsional stiffness against buckling, of which the effect has never been considered previously by others. The current practice for the design of a planar truss has largely been based on the linear elastic approach which cannot allow for the contribution of torsional stiffness and tension members in a structural system against buckling. The over-simplified analytical technique is unable to provide a realistic and an economical design to a structure. In this paper the stability theory is applied to the second-order analysis and design of the structural form, with detailed allowance for the instability and second-order effects in compliance with design code requirements. Finally, the paper demonstrates the application of the proposed method to the stability design of a commonly adopted truss system used in support of glass panels in which lateral bracing members are highly undesirable for economical and aesthetic reasons.
Mohammad H. Habashizadeh;Nima Talebian;Dane Miller;Martin Skitmore;Hassan Karampour
Steel and Composite Structures
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v.49
no.1
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pp.47-64
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2023
Due to their efficient use of materials, hybrid reinforced concrete-steel (RCS) systems provide more practical and economic advantages than traditional steel and concrete moment frames. This study evaluated the seismic design factors and response modification factor 'R' of RCS composite moment frames composed of reinforced concrete (RC) columns and steel (S) beams. The current International Building Code (IBC) and ASCE/SEI 7-05 classify RCS systems as special moment frames and provide an R factor of 8 for these systems. In this study, seismic design parameters were initially quantified for this structural system using an R factor of 8 based on the global methodology provided in FEMA P695. For analyses, multi-story (3, 5, 10, and 15) and multi-span (3 and 5) archetypes were used to conduct nonlinear static pushover analysis and incremental dynamic analysis (IDA) under near-field and far-field ground motions. The analyses were performed using the OpenSees software. The procedure was reiterated with a larger R factor of 9. Results of the performance evaluation of the investigated archetypes demonstrated that an R factor of 9 achieved the safety margin against collapse outlined by FEMA P695 and can be used for the design of RCS systems.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2002.05a
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pp.259-264
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2002
This paper describes an attempt to develop a unified design approach for reinforced concrete short beam failing in shear based on a Arch Factor. Designing for short beam in shear is not as straightforward as designing for flexure due to the complicated interdependency of the variables involved and to the nonexistence of a rational theory tn current design code. Shear failure of reinforced concrete beams with stirrups is influenced greatly because of the actual geometrical shape(a/d) of the concrete and flexural reinforcement steel ratio, stirrup reinforcement ratio and concrete compression strength, size effect etc. The objective of this paper is to present a pilot study to develop a simplified physical model for estimating shear behavior of reinforced concrete short beams. The Key idea incorporated with this model is the Arch factor, introduced by Kim and White.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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