Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.5
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pp.283-293
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2023
With the steady increase in the annual number of earthquakes in South Korea, the need to apply seismic reinforcement on public facilities has recently increased. To reinforce seismic capacity, spaced full-column-height steel bars are attached to column faces. In this study, nonlinear finite element analysis was conducted to analyze the effect of external reinforcement steel bars on the seismic capacity of RC columns with a square or rectangular cross-section. For verification, the analysis results were compared with test results. Results showed that the finite element analysis reasonably predicted the actual structural behavior of RC columns with steel bars. In addition, both the analysis and the test results showed that the failure mode was converted from brittle failure to ductile fracture, owing to the external reinforcement steel bars. Both loading capacity and ductility were increased as well. Therefore, the external reinforcement steel bar can effectively enhance the seismic capacity of existing RC columns. This study is expected to contribute to relevant research areas such as the development of design methods.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.18
no.3E
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pp.173-181
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2006
The objectives of this study are to evaluate the reliability of an existing nonlinear analysis program for predicting the inelastic behavior of reinforced concrete frame with seismic details and to observe the redistribution of the internal forces, which can not be easily measured by an experiment. In order to carry out this task, the nonlinear analysis program of IDARC 2D(3) was run on a 2-bay, 2-story moment-resisting reinforced concrete plane frame with seismic details. (1) The effort to obtain the results of the analysis similar to those of experiment was made by determining the appropriate values of model parameters. The comparison of the analysis results with those of experiment and the observation of the distribution of internal forces obtained through nonlinear analysis points to the following conclusions. (1) The overall relationship between lateral load and lateral displacement given by the analysis is similar to that of experiment. However, the values of initial stiffness and the amount of energy dissipation in the initial displacement steps given by the analysis show larger values than those of experiment. (2) The analysis provided detailed information on the distribution and redistribution of internal forces and proved useful in elucidating the crack pattern, the sequence of the occurrence of plastic hinges, and the failure or yielding mechanism for the whole structure. (3) In spite of the similarity in overall behavior of analysis and experiment, there exists a significant discrepancy in some local behaviors. Furthermore, the hysteresis in the relationship between moment and curvature in some column ends have shown sudden deteriorations in strength, which can not be interpreted satisfactorily at the present time. Therefore, it is necessary to develop a better analytical model to fill this knowledge gap.
As a practical and effective seismic resisting technology, the base isolation system has seen extensive applications in buildings and bridges. However, a few problems associated with conventional lead-rubber bearings have been identified after historical strong earthquakes, e.g., excessive permanent deformations of bearings and potential unseating of bridge decks. Recently the applications of shape memory alloys (SMA) have received growing interest in the area of seismic response mitigation. As a result, a variety of SMA-based base isolators have been developed. These novel isolators often lead to minimal permanent deformations due to the self-centering feature of SMA materials. However, a rational design approach is still missing because of the fact that conventional design method cannot be directly applied to these novel devices. In light of this limitation, a displacement-based design approach for highway bridges with SMA isolators is proposed in this paper. Nonlinear response spectra, derived from typical hysteretic models for SMA, are employed in the design procedure. SMA isolators and bridge piers are designed according to the prescribed performance objectives. A prototype reinforced concrete (RC) highway bridge is designed using the proposed design approach. Nonlinear dynamic analyses for different seismic intensity levels are carried out using a computer program called "OpenSees". The efficacy of the displacement-based design approach is validated by numerical simulations. Results indicate that a properly designed RC highway bridge with novel SMA isolators may achieve minor damage and minimal residual deformations under frequent and rare earthquakes. Nonlinear static analysis is also carried out to investigate the failure mechanism and the self-centering ability of the designed highway bridge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.3
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pp.287-298
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2001
Analysis of nonlinear behavior of prestressed concrete frame structures on PC is a time-consuming computing job if the problem size increase to a certain degree. Cluster system has emerged as one of promising computing environments due to its good extendibility, portability, and cost-effectiveness, comparing it with high-end work-stations or servers. In this paper, a parallel nonlinear analysis procedure of prestressed concrete frame structure is presented using cluster computing. Cluster system is configured with readily available pentium III class PCs under Win98 or Linux and fast ethernet. Parallel computing algorithms on element-wise processing parts including the calculation of stiffness matrix, element stresses and determination of material states, check of material failure and calculation of unbalanced loads are developed using MPL. Validity of the method is discussed through typical numerical examples. For the case of 4 node system, maximum speedup is 3.15 and 3.74 for Win98 and Linux, respectively. Important issues for the efficient use of cluster computing system based un PCs and ethernet are addressed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.283-291
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2018
This study intends to develop an analytical model of unreinforced masonry(URM) walls for the nonlinear static analysis which has been generally used to evaluate the seismic performance of a building employing URM walls as seismic force-resisting members. The developed model consists of fiber elements used to capture the flexural behavior of an URM wall and a shear spring element implemented to predict its shear response. This paper first explains the configuration of the proposed model and describes how to determine the modeling parameters of fiber and shear spring elements based on the stress-strain curves obtained from existing experimental results of masonry prisms. The proposed model is then verified throughout the comparison of its nonlinear static analysis results with the experimental results of URM walls carried out by other researchers. The proposed model well captures the maximum strength, the initial stiffness, and their resulting load - displacement curves of the URM walls with reasonable resolution. Also, it is demonstrated that the analysis model is capable of predicting the failure modes of the URM walls.
This paper presents a stochastic model for the software failure phenomenon based on a nonhomogeneous Poisson process (NHPP). The failure process is analyzed to develop a suitable mean value function for the NHPP ; expressions are given for several performance measure. Actual software failure data are compared with generalized model by Goel dependent on the constant reflecting the quality of testing. The performance measures and parametric inferences of the new models, Rayleigh and Gumbel distributions, are discussed. The results of the new models are applied to real software failure data and compared with Goel-Okumoto and Yamada, Ohba and Osaki models. Tools of parameter inference was used method of the maximun likelihood estimate and the bisection algorithm for the computing nonlinear root. In this paper, using the sum of the squared errors, model selection was employed. The numerical example by NTDS data was illustrated.
Mechanical shear connectors are commonly used to transfer longitudinal shear forces across the steel-concrete interface in composite beams. Steel pipe as a new shear connector is proposed in this research and its performance to achieve composite strength is investigated. Experimental monotonic push-out tests were carried out for this connector. Then, a nonlinear finite element model of the push-out specimens is developed and verified against test results. Further, the finite element model is used to investigate the effects of pipe thickness, length and diameter on the shear strength of the connectors. The ultimate strengths of these connectors are reported and their respective failure modes are discussed. This paper comprises of the push-out tests of ten specimens on this shear connector in both the vertical and horizontal positions in different reinforced concretes. The results of experimental tests are given as load-deformation plots. It is concluded that the use of these connectors is very effective and economical in the medium shear demand range of 150-350 KN. The dominant failure modes observed were either failure of concrete block (crushing and splitting) or shear failure of pipe connector. It is shown that the horizontal pipe is not as effective as vertical pipe shear connector and is not recommended for practical use. It is shown that pipe connectors are more effective in transferring shear forces than channel and stud connectors. Moreover, based on the parametric study, a formula is presented to predict the pipe shear connectors' capacity.
Mechanical properties of steel-concrete interface were evaluated on the basis of experimental observations. The properties included bond strength, unbounded and bonded friction angles, residual level of friction angle, mode I fracture energy, mode II bonded fracture energy and unbonded slip-friction energy under different levels of normal stress, and shape parameters to define geometrical shape of failure envelope. For this purpose, a typical type of constitutive model of describing steel-concrete interface behavior was presented based on a hyperbolic three-parameter Mohr-Coulomb type failure criterion. The constitutive model depicts the strong dependency of interface behavior on bonding condition of interface, bonded or unbounded. Values of the interface parameters were determined through interpretation of experimental results, geometry of failure envelope and sensitivity analysis. Nonlinear finite element analysis that incorporates steel-concrete interface as well as material nonlinearities of concrete and steel were performed to predict the experimental results.
A number of experiments were performed to investigate the punching shear strength of flat plate-column connections. According to the experiments, the punching shear strength varies significantly with design parameters such as the column size of the connection, reinforcement ratio, and boundary condition. However, current design methods do not properly address the effects of such design parameters. In the present study, a theoratical approach using Rankine's failure cirterion was attempted to define the failure mechanism of the punching shear According to the study, the failure mechanism can be classified into the compression-controlled and the tension-controlled, depending on the amount of bottom re-bars placed at the connection, and the punching shear strength is also significantly affected by the flexural damage of slab. Based on the finding, a new strength model of punching shear was developed, and verified by the comparisons with existing experiments and nonlinear finite element analyses. The comparisons show that the proposed strength model addressing the effects of various design parameters can predict accurately the punching shear strength, compared to the existing strength models.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.7
no.3
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pp.141-154
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1987
The algorithm proposed utilizes the tow-levels technique. In the first level which consists of teeatment only the applied load and design stress as the random variables whose parent distribution has the normal distribution, the cross-sectional areas of the truss members such that the their probabilities of failure have the preseribed failure probabilites are optimized by transforming the nonlinear problem into SUMT, and solving it utilizing modified Newton-Raphson method. In the second level, the geometric shape of truss structure is optimized by utilizing the unidirectional search technique of Powell method which makes it possible to minimize only the objective function. The algorithm proposed is numerically tested for the several truss structures with various shapes and loading conditions. The numerical analysis shows that the rate of decreasing the weight of truss structures is dependent on the prescribed failure probability of the each member of truss structure and the covariance of the applied load and design stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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