To estimate the structural seismic demand, some methods are based on an equivalent linear system such as the Capacity Spectrum Method, the N2 method and the Equivalent Linearization method. Another category, widely investigated, is based on displacement correction such as the Displacement Coefficient Method and the Coefficient Method. Its basic concept consists in converting the elastic linear displacement of an equivalent Single Degree of Freedom system (SDOF) into a corresponding inelastic displacement. It relies on adequate modifying or reduction coefficient such as the inelastic deformation ratio which is usually developed for systems with known ductility factors ($C_{\mu}$) and ($C_R$) for known yield-strength reduction factor. The present paper proposes a rational approach which estimates this inelastic deformation ratio for SDOF bilinear systems by rigorous nonlinear analysis. It proposes a new inelastic deformation ratio which unifies and combines both $C_{\mu}$ and $C_R$ effects. It is defined by the ratio between the inelastic and elastic maximum lateral displacement demands. Three options are investigated in order to express the inelastic response spectra in terms of: ductility demand, yield strength reduction factor, and inelastic deformation ratio which depends on the period, the post-to-preyield stiffness ratio, the yield strength and the peak ground acceleration. This new inelastic deformation ratio ($C_{\eta}$) is describes the response spectra and is related to the capacity curve (pushover curve): normalized yield strength coefficient (${\eta}$), post-to-preyield stiffness ratio (${\alpha}$), natural period (T), peak ductility factor (${\mu}$), and the yield strength reduction factor ($R_y$). For illustrative purposes, instantaneous ductility demand and yield strength reduction factor for a SDOF system subject to various recorded motions (El-Centro 1940 (N/S), Boumerdes: Algeria 2003). The method accuracy is investigated and compared to classical formulations, for various hysteretic models and values of the normalized yield strength coefficient (${\eta}$), post-to-preyield stiffness ratio (${\alpha}$), and natural period (T). Though the ductility demand and yield strength reduction factor differ greatly for some given T and ${\eta}$ ranges, they remain take close when ${\eta}>1$, whereas they are equal to 1 for periods $T{\geq}1s$.
Selection or generation of appropriate input ground motion is very important in performing a dynamic analysis. In Korea, it is a common practice to use recorded strong ground motions or artificial motions. The recorded motions show non-stationary characteristics, which is a distinct property of all earthquake motions, but have the problem of not matching the design response spectrum. The artificial motions match the design spectrum, but show stationary characteristics. This study generated ground motions that preserve the non-stationary characteristics of a real earthquake motion, but also matches the design spectrum. In the process, an impulse function-based algorithm that adjusts a given time series in time domain such that it matches the target response spectrum is used. Application of the algorithm showed that it can successfully adjust any recorded motions to match the target spectrum and also preserve the non-stationary characteristics. The modified motions are used to perform a series of nonlinear site response analyses. It is shown that the results using the adjusted motions result in more reliable estimates of ground vibration. It is thus recommended that the newly adjusted motions be used in practice instead of original recorded motions.
Air Traffic Control (ATC) towers play significant role in the functionality of each airport. In spite of having complex dynamic behavior and major role in mitigating post-earthquake problems, less attention has been paid to the seismic performance of these structures. Herein, seismic response of an existing ATC tower with a wall-frame structural system that has been designed and detailed according to a local building code was evaluated through the framework of performance-based seismic design. Results of this study indicated that the linear static and dynamic analyses used for the design of this tower were incapable of providing a safety margin for the required seismic performance levels especially when the tower was subjected to strong ground motions. It was concluded that, for seismic design of ATC towers practice engineers should refer to a more sophisticated seismic design approach (e.g., performance-based seismic design) which accounts for inelastic behavior of structural components in order to comply with the higher seismic performance objectives of ATC towers.
Panto, Bartolomeo;Giresini, Linda;Sassu, Mauro;Calio, Ivo
Earthquakes and Structures
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v.12
no.2
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pp.223-236
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2017
Seismic assessment and rehabilitation of Monumental Buildings constitute an important issue in many regions around the world to preserve cultural heritage. On the contrary, many recent earthquakes have demonstrated the high vulnerability of this type of structures. The high nonlinear masonry behaviour requires ad hoc refined finite element numerical models, whose complexity and computational costs are generally unsuitable for practical applications. For these reasons, several authors proposed simplified numerical strategies to be used in engineering practice. However, most of these alternative methods are oversimplified being based on the assumption of in-plane behaviour of masonry walls. Moreover, they cannot be used for modelling the monumental structures for which the interaction between plane and out-plane behaviour governs the structural response. Recently, an innovative discrete-modelling approach for the simulation of both in-plane and out of-plane response of masonry structures was proposed and applied to study several typologies of historic structures. In this paper the latter model is applied with reference to a real case study, and numerically compared with an advanced finite element modelling. The method is applied to the St.Venerio church in Reggiolo (Italy), damaged during the 2012 Emilia-Romagna earthquake and numerically investigated in the literature.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.9
no.4
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pp.51-61
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1989
The classical spectral analysis of random vibration is not applicable to the random vibration of nonlinear structures or the dynamic response of active mechanical systems whose governing equations contain random parametric and inhomogeneous excitations. If the random load is simulated, dynamic responses can be obtained with the application of numerical integration schemes to the governing equations of above problems. Thus, in this paper, efficient and practical methods of simulating nonstationary random seismic ground accelerations are presented by using the fast Fourier transform technique. Typical applications of the simulated ground accelerations are the simulations of the dynamic response of rotor-bearing systems under earthquake excitations. The study of accuracy is presented to determine the applicability and practicality of methods of simulation.
This study presents comparation of fixed and viscos boundary condition effects on three-dimensional earthquake response and performance of a RCC dam considering linear and non-linear response. For this purpose, Cine RCC dam constructed in Aydın, Turkey, is selected in applications. The Drucker-Prager material model is considered for concrete and foundation rock in the nonlinear time-history analyses. Besides, hydrodynamic effect was considered in linear and non-linear dynamic analyses for both conditions. The hydrodynamic pressure of the reservoir water is modeled with the fluid finite elements based on the Lagrangian approach. The contact-target element pairs were used to model the dam-foundation-reservoir interaction system. The interface between dam and foundation is modeled with welded contact for both fixed and viscos boundary conditions. The displacements and principle stress components obtained from the linear and non-linear analyses are compared each other for empty and full reservoir cases. Seismic performance analyses considering demand-capacity ratio criteria were also performed for each case. According to numerical analyses, the total displacements and besides seismic performance of the dam increase by the effect of the viscous boundary conditions. Besides, hydrodynamic pressure obviously decreases the performance of the dam.
Dzolev, Igor M.;Cvetkovska, Meri J.;Ladinovic, Dorde Z.;Radonjanin, Vlastimir S.
Computers and Concrete
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v.21
no.6
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pp.637-647
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2018
Numerical approach using finite element method has been used to evaluate the behaviour of reinforced concrete frame structure subjected to fire. The structure is previously designed in accordance with Eurocode standards for the design of structures for earthquake resistance, for the ductility class M. Thermal and structural response are obtained using a commercially available software ANSYS. Temperature-dependent nonlinear thermal and mechanical properties are adopted according to Eurocode standards, with the application of constitutive model for the triaxial behaviour of concrete with a smeared crack approach. Discrete modelling of concrete and reinforcement has enabled monitoring of the behaviour at a global, as well as at a local level, providing information on the level of damage occurring during fire. Critical regions in frame structures are identified and assessed, based on temperatures, displacements, variations of internal forces magnitudes and achieved plastic deformations of main reinforcement bars. Parametric analyses are conducted for different fire scenarios and different types of concrete aggregate to determine their effect on global deformations of frame structures. According to analyses results, the three-dimensional finite element model can be used to evaluate the insulation and mechanical resistance criteria of reinforced concrete frame structures subjected to nominal fire curves.
This study proposes a new damper configuration for seismic performance improvement of heavy sliding facilities inside a building. For this purpose, we deal with two connection types of control system, and the parametric study has been performed to investigate their comparative seismic performances according to the variations of the control capacity. In order to simulate the seismic responses of the proposed system, we employed a recently-developed seismic response analysis method that can deal with the two-mass system with nonlinear frictional sliding behavior. The numerical results demonstrate that the typical method of diagonal bracing damper connection can exhibit effective control performance both on structure and the heavy sliding facilities, whereas the structure-facilities connection method does not show any control effect on both responses. On the other hand, the typical method has some limitations that it can adversely cause excessive sliding of the facilities, depending upon the frequency characteristics of structure and earthquake. On the contrary, the structure-facilities connection method is very effective in reducing the sliding displacement of the heavy facilities, even with small amount of control capacity. Thus, the following potential expectations can be inferred from these results: The typical diagonal bracing damper connection method will have some promising benefits in controlling the sliding facilities inside the building as well as the building itself, and the structure-facilities connection method can be a cost-effective way of protecting the internal heavy important facilities inside the structure already designed with sufficient seismic performance.
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.
Ductility capacity is comprehensively studied for steel moment-resisting frames. Local, story and global ductility are being considered. An appropriate measure of global ductility is suggested. A time domain nonlinear seismic response algorithm is used to evaluate several definitions of ductility. It is observed that for one-story structures, resembling a single degree of freedom (SDOF) system, all definitions of global ductility seem to give reasonable values. However, for complex structures it may give unreasonable values. It indicates that using SDOF systems to estimate the ductility capacity may be a very crude approximation. For multi degree of freedom (MDOF) systems some definitions may not be appropriate, even though they are used in the profession. Results also indicate that the structural global ductility of 4, commonly used for moment-resisting steel frames, cannot be justified based on this study. The ductility of MDOF structural systems and the corresponding equivalent SDOF systems is studied. The global ductility values are very different for the two representations. The ductility reduction factor $F_{\mu}$ is also estimated. For a given frame, the values of the $F_{\mu}$ parameter significantly vary from one earthquake to another, even though the maximum deformation in terms of the interstory displacement is roughly the same for all earthquakes. This is because the $F_{\mu}$ values depend on the amount of dissipated energy, which in turn depends on the plastic mechanism, formed in the frames as well as on the loading, unloading and reloading process at plastic hinges. Based on the results of this study, the Newmark and Hall procedure to relate the ductility reduction factor and the ductility parameter cannot be justified. The reason for this is that SDOF systems were used to model real frames in these studies. Higher mode effects were neglected and energy dissipation was not explicitly considered. In addition, it is not possible to observe the formation of a collapse mechanism in the equivalent SDOF systems. Therefore, the ductility parameter and the force reduction factor should be estimated by using the MDOF representation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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