The superelastic viscous damper (SVD) is a hybrid passive control device comprising a viscoelastic damper and shape memory alloy (SMA) cables connected in series. The SVD is an innovative damper through which a large amount of seismic energy can dissipate. The current study assessed the seismic collapse induced by steel moment-resisting frames (SMRFs) equipped with SVDs and compared them with the performance of special MRFs and buckling restrained brace frames (BRBFs). For this purpose, nonlinear dynamic and incremental dynamic analysis (IDA) were conducted in OpenSees software. Both 5- and 9-story special MRFs, BRBFs, and MRFs equipped with the SVDs were examined. The results indicated that the annual exceedance rate for maximum residual drifts of 0.2% and 0.5% for the BRBFs and MRFs with SVDs, respectively, were considerably less than for SMRFs with reduced-beam section (RBS) connections and that the seismic performances of these structures were enhanced with the use of the BRB and SVD. The probability of collapse due to residual drift in the SVD, BRB, and RBS frames in the 9-story structure was 1.45, 1.75, and 1.05 times greater than for the 5-story frame.
Composite beams of steel and concrete strengthened with fiber-reinforced polymers (FRP) may exhibit considerably enhanced flexural behaviour, but the combination of three materials with different characteristics and the various possible failure mechanisms that may govern performance make their analysis quite demanding. Previous studies provided significant insights into this problem and several methods were proposed for calculating flexural stiffness and strength, but these studies are restricted to the single member level of a simply supported composite beam section. However, the problem considerably changes when the beam is part of a frame system due to the degree of continuity provided by the surrounding structure, which represents the most common situation in practice. This paper explores the behaviour of semi-continuous FRP-strengthened composite beams, by considering the response characteristics of their end connections and their effects on overall performance. A novel analytical model is derived, which enables a step-by-step representation of the nonlinear relationship between an incremental mid-span design bending moment and corresponding connection rotations. After verification against finite element analyses, a parametric study is conducted which shows that the substantially increased bending moment resistance of FRP-strengthened composite beams can hardly be fully utilized due to a deficiency of corresponding large deformation capacity available in the connections. The extent to which the presence FRP strengthening can be exploited to enhance the beam flexural response depends on the interplay between various structural parameters, including the connection rotation capacity, the beam span, and the FRP modulus of elasticity and ultimate strength.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.4
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pp.45-54
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2011
A simple model for reinforced concrete shear walls with boundary elements is proposed, which is a macro-model composed of spring elements representing flexure and shear behaviors. The flexural behaviour is represented by vertical springs at the wall ends, where the moment strength and rotational capacity of the wall are based on section analysis. The shear behaviour is represented by a horizontal spring at the wall center, where the key parameters for the shear behavior are based on the flexural behaviour since the shear walls with boundary elements are governed by the flexure. The proposed model was prepared with the results of hysteretic tests of the shear walls, and then the reliability of the hysteretic rule and variables was investigated by nonlinear dynamic analyses. Using parametric study with nonlinear dynamic analyses, the effect of the variables on demand and capacity, which are major parameters in seismic performance evaluation, are investigated. Results show that the measured and calculated shear forces versus the shear distortion relationships are slightly different, but the global response is well simulated. Furthermore, the demand and capacity are also changed in a similar way to the change in the major parameters so that the proposed model may be appropriate for reinforced concrete shear walls with boundary elements.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.6
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pp.2804-2811
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2012
In this study, It is developed a retrofitting procedure of RC column with rectangular section to archive the target displacement at failure. Nonlinear behavior of the column is considered as the equivalent linear system. First, target displacement is determined, and then elastic displacement spectrum is constructed to estimate the equivalent natural vibration period of the SDOF system. After natural vibration period is determined, required strength is calculated using secant stiffness based on the mass of system. In accordance with, obtained force-displacement relationship through non-linear fiber based section analysis, retrofit design was carried out to meet required strength. As a result, retrofitted RC column can confirm that the improved seismic performance. It is observed that the proposed design procedure can be applicable to seismic retrofitting design of columns.
For steel-concrete girders made composite using shear studs, initial damage on studs induced by weld defect, unexpected overloading, fatigue and others might degrade the service performance and even threaten the structural safety. This paper conducted a numerical study to investigate the static behavior of damaged stud shear connectors that were embedded in ultra high performance concrete (UHPC). Parameters included damage degree and damage location. The material nonlinear behavior was characterized by multi-linear stress-strain relationship and damage plasticity model. The results indicated that the shear strength was not sensitive to the damage degree when the damage occurred at 2/3d (d is the stud diameter) from the stud root. An increased stud area would be engaged in resisting shear force as the distance of damage location from stud root increased and the failure section becomes inclined, resulting in a less reduction in the shear strength and shear stiffness. The reduction factor was proposed to consider the degradation of the shear strength of the damaged stud. The reduction factor can be calculated using two approaches: a linear relationship and a square relationship with the damage degree corresponding to the shear strength dominated by the section area and the nominal diameter of the damaged stud. It was found that the proposed method is preferred to predict the shear strength of a stud with initial damage.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.5
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pp.88-97
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2012
The objective of this research is to investigate the seismic performance and flexure-shear behavior of square reinforced concrete bridge piers with solid and hollow cross section. Test specimens were nonseismically designed with the aspect ratio 4.5 Two reinforced concrete columns were tested under constant axial load while subjected to lateral load reversals with increasing drift levels. Longitudinal steel ratio was 2.217 percent. The transverse reinforcement ratio As/($s{\cdot}h$), corresponding to 58 percent of the minimum lateral reinforcement required by Korean Bridge Design Specifications for seismic detailing, which represent existing columns not designed by the current seismic design specifications or designed by limited ductility concept. This study are to provide quantitative reference data for the limited ductility design concept and tendency for performance or damage assessment based on the performance levels such as cracking, yielding, collapse, etc. Failure behavior, ultimate displacement/drift ratio, displacement ductility, response modification factor, equivalent viscous damping ratio, residual deformation, effective stiffness, plastic hinge length, strain of reinforcements and nonlinear analysis are investigated and discussed in this paper.
Abebe, Daniel Yeshewawork;Choi, Jae Hyouk;Kim, Jin Hyang
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.1
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pp.83-88
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2013
Progressive collapse is a chain reaction of failures propagating throughout a portion of a structure that is disproportionate to the original local failure. When column members are subjected to unexpected load (compression load), they will buckle if the applied load is greater than the critical load that induces buckling. The post-buckling strength of the columns will decrease rapidly, but if there is enough residual strength, the members will absorb the potential energy generated by the impact load to prevent progressive collapse. Thus, it is necessary to identify the relationship of the load-deformation of a column member in the progressive collapse of a structure up to final collapse. In this study, we carried out nonlinear FEM analysis and based on deflection theory, we investigated the load-deformation relationship of H-section steel columns when both ends were fixed.
Zhang, Wenfu;Gardner, Leroy;Wadee, M. Ahmer;Zhang, Minghao
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1440-1463
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2018
The Wagner coefficient is a key parameter used to describe the inelastic lateral-torsional buckling (LTB) behaviour of the I-beam, since even for a doubly-symmetric I-section with residual stress, it becomes a monosymmetric I-section due to the characteristics of the non-symmetrical distribution of plastic regions. However, so far no theoretical derivation on the energy equation and Wagner's coefficient have been presented due to the limitation of Vlasov's buckling theory. In order to simplify the nonlinear analysis and calculation, this paper presents a simplified mechanical model and an analytical solution for doubly-symmetric I-beams under pure bending, in which residual stresses and yielding are taken into account. According to the plate-beam theory proposed by the lead author, the energy equation for the inelastic LTB of an I-beam is derived in detail, using only the Euler-Bernoulli beam model and the Kirchhoff-plate model. In this derivation, the concept of the instantaneous shear centre is used and its position can be determined naturally by the condition that the coefficient of the cross-term in the strain energy should be zero; formulae for both the critical moment and the corresponding critical beam length are proposed based upon the analytical buckling equation. An analytical formula of the Wagner coefficient is obtained and the validity of Wagner hypothesis is reconfirmed. Finally, the accuracy of the analytical solution is verified by a FEM solution based upon a bi-modulus model of I-beams. It is found that the critical moments given by the analytical solution almost is identical to those given by Trahair's formulae, and hence the analytical solution can be used as a benchmark to verify the results obtained by other numerical algorithms for inelastic LTB behaviour.
The steel-concrete composite system has been playing a vital role in the construction sector for the past two decades. By using steel and concrete together, we achieve strong load resistance with minimal deflection and bending stress. The study focuses on the numerical and analytical behaviour of concrete encased steel castellated beams and compared them with previous experiments. The study used five composite beams, including one control reinforced concrete beam (CC), one fully concrete encased steel beam (FCES), and three fully concrete encased castellated beams. The major variable is the opening configuration of the castellated beam, such as openings along the longitudinal axis, above the longitudinal axis, and below the longitudinal axis. The 150 mm × 250 mm cross section and 2000 mm in length of beams were used. Using the finite element software ANSYS, we conduct nonlinear finite element analysis for the entire beam and compare it with test data. The numerical load carrying capacity of concrete encased steel castellated beam with a hexagonal opening above the longitudinal axis (FCESCB H2) is 160 kN is closer to the experimental observation. Von Mises strain of FCESB is 0.004232, which is lower than CB and composite castellated beam. The ductility factor and energy absorption capacity of FCESB are 5.090 and 1688.47 kNm. It was observed that the configuration of the opening will influence the strength of the composite beam. Plastic moment methods were employed to estimate the ultimate load carrying capacity of the beam. In the analytical study the beams were assumed as perfectly plastic. The ultimate analytical load carrying capacity of FCESCB H2 is 21.87% higher than FCESB. It found that performing FCESCB H2 is superior to the entire specimen.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.31
no.6
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pp.409-422
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2019
In this study, we carried out the 3D numerical simulation to investigate the hydraulic characteristics of Synchronous Edge wave known as the driving mechanism of beach cusp using the Tool Box called the ihFoam that has its roots on the OpenFoam. As a wave driver, RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes equation) and mass conservation equation are used. In doing so, we materialized short-crested waves known as the prerequisite for the formation of Synchronous Edge waves by generating two obliquely colliding Cnoidal waves. Numerical results show that as can be expected, flow velocity along the cross section where waves are focused are simulated to be much faster than the one along the cross section where waves are diverged. It is also shown that along the cross section where waves are focused, up-rush is moving much faster than its associated back-wash, but a duration period of up-rush is shortened, which complies the typical characteristics of nonlinear waves. On the other hand, due to the water-merging effect triggered by the redirected flow toward wave-diverging area at the pinacle of run-up, along the cross section where waves are diverged, offshore-ward velocity is larger than shore-ward velocity at the vicinity of shore-line, while at the very middle of shoaling process, the asymmetry of flow velocity leaned toward the shore is noticeably weakened. Considering that these flow characteristics can be found without exception in Synchronous Edge waves, the numerical simulation can be regarded to be successfully implemented. In doing so, new insight about how the boundary layer streaming occur are also developed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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