Fire incident in buildings is common, so the fire safety design of the framed structure is imperative, especially for the unprotected or partly protected bare steel frames. However, software for structural fire analysis is not widely available. As a result, the performance-based structural fire design is urged on the basis of using user-friendly and conventional nonlinear computer analysis programs so that engineers do not need to acquire new structural analysis software for structural fire analysis and design. The tool is desired to have the capacity of simulating the different fire scenarios and associated detrimental effects efficiently, which includes second-order P-D and P-d effects and material yielding. Also the nonlinear behaviour of large-scale structure becomes complicated when under fire, and thus its simulation relies on an efficient and effective numerical analysis to cope with intricate nonlinear effects due to fire. To this end, the present fire study utilizes a second-order elastic/plastic analysis software NIDA to predict structural behaviour of bare steel framed structures at elevated temperatures. This fire study considers thermal expansion and material degradation due to heating. Degradation of material strength with increasing temperature is included by a set of temperature-stress-strain curves according to BS5950 Part 8 mainly, which implicitly allows for creep deformation. This finite element stiffness formulation of beam-column elements is derived from the fifth-order PEP element which facilitates the computer modeling by one member per element. The Newton-Raphson method is used in the nonlinear solution procedure in order to trace the nonlinear equilibrium path at specified elevated temperatures. Several numerical and experimental verifications of framed structures are presented and compared against solutions in literature. The proposed method permits engineers to adopt the performance-based structural fire analysis and design using typical second-order nonlinear structural analysis software.
Thin-walled mental tubes under lateral crushing are desirable and reliable energy absorbers against impact or blast loads. However, the early formations of plastic hinges in the thin cylindrical wall limit the energy absorption performance. This study investigates the energy absorption performance of a simple, light and efficient energy absorber called the ring stiffened tube. Due to the increase of section modulus of tube wall and the restraining effect of the T-stiffener flange, key energy absorption parameters (peak crushing force, energy absorption and specific energy absorption) have been significantly improved against the empty tube. Its potential application in the offshore blast wall design has also been investigated. It is proposed to replace the blast wall endplates at the supports with the energy absorption devices that are made up of the ring stiffened tubes and springs. An analytical model based on beam vibration theory and virtual work theory, in which the boundary conditions at each support are simplified as a translational spring and a rotational spring, has been developed to evaluate the blast mitigation effect of the proposed design scheme. Finite element method has been applied to validate the analytical model. Comparisons of key design criterions such as panel deflection and energy absorption against the traditional design demonstrate the effectiveness of the proposed design in blast alleviation.
High performance materials such as Fiber Reinforced Plastic (FRP) are often used for retrofitting structures against blast loads due to its ductility and strength. The effectiveness of retrofit materials needs to be precisely evaluated for the retrofitting design based on the dynamic material responses under blast loads. In this study, the blast resistance of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) and Kevlar/Glass hybrid fabric (K/G) retrofitted reinforced concrete (RC) wall is analyzed by using the explicit analysis code LS-DYNA, which accommodates the high-strain rate dependent material models. Also, the retrofit effectiveness of FRP fabrics is evaluated by comparing the analysis results for non-retrofitted and retrofitted walls. The verification of the analysis is performed through comparisons with the previous experimental results.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.3
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pp.45-55
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2023
The purpose of this study has a purpose to evaluate shear ability, ductility and energy dissertation of specimens that is to be applied to jacket using wrapping method. The experiments was conducted as a condition that simultaneously applied axial load and transverse force. The results of experiments represent story-displacement ratio, the stiffness, energy dissertation, plastic rotation which mean seismic resistance ablity on structure. And It represents the form of crack ditribution and failure in extreme stages. Based on the results of this experiment, Design examples are given to show the performance evaluation for the column reinforcing of old school buildings using nonlinear analysis is going to be conducted. Therefore, it is possible to apply the seismic retrofit method to public facilities.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.15
no.1
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pp.29-36
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2012
Reinforced concrete shear walls and X-type steel braces were applied in seismic retrofit techniques for seismic performance evaluation of school buildings constructed in accordance with standard design announced by the ordinance of the ministry of construction in 1980s. Seismic performance evaluation was based on FEMA 356 using response spectrum as elastic analysis and conducted to pushover analysis with nonlinear static analysis. The maximum displacement ratio between floors in 4th and 3rd floors of the existing school buildings was less than 1.0%, which was functioning level in FEMA 356. However, because plastic hinge occurs somewhat in structural members according to the results of pushover analysis, partial reinforcement will be required. X-direction of the maximum lateral displacement of reinforced concrete shear walls than X-type steel braces was 45% and 32% in 4th and 3rd floors of school buildings, and Y-direction was 18% and 17%, respectively.
Ductility is very important parameter in seismic design of RC members such as beams where it allows RC beams to dissipate the seismic energy. In this field, the curvature ductility has taken a large part of interest compared to the deflection ductility. For this reason, the present paper aims to propose a general formula for predicting the deflection ductility factor of RC beams under mid-span load. Firstly, the moment area theorem is used to develop a model in order to calculate the yield and the ultimate deflections; then this model is validated by using some results extracted from previous researches. Secondly, a general formula of deflection ductility factor is written based on the developed deflection expressions. The new formula is depended on curvature ductility factor, beam length, and plastic hinge length. To facilitate the use of this formula, a parametric study on the curvature ductility factor is conducted in order to write it in simple manner without the need for curvature calculations. Therefore, the deflection ductility factor can be directly calculated based on beam length, plastic hinge length, concrete strength, reinforcement ratios, and yield strength of steel reinforcement. Finally, the new formula of deflection ductility factor is compared with the model previously developed based on the moment area theorem. The results show the good performance of the new formula.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.63-69
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2003
In this study seismic design procedure for buckling-restrained braced frame systems was proposed using hysteretic energy spectrum and accumulated ductility spectrum constructed from single degree of freedom systems. The hysteretic energy spectra and accumulated ductility spectra corresponding to target ductility ratio were constructed first. The cross-sectional area of braces required to meet a given target displacement was obtained by equating the hysteretic energy demand to the accumulated plastic energy dissipated by braces. Twenty earthquake records were utilized to construct the spectra and to verify the validity of the design procedure. According to analysis results of three- and eight-story buckling-restrained braced frame structures designed using the proposed method, the mean values for the top story displacement correspond well with the given performance target displacements. Also, the inter-story drifts turned out to be relatively uniform over the structure height, which is desirable because uniform inter-story drifts indicate uniform damage distribution. Therefore if was concluded that the proposed energy-based method could be a reliable alternative to conventional strength-based design procedure for structures with buckling-restrained braces.
In this study a new hysteretic damper for seismic retrofit of soft-first story structures is proposed and its seismic retrofit effect is evaluated. The damper consists of one steel column member and two flexural fuses at both ends made of steel plates with reduced section, which can be placed right beside existing columns in order to minimize interference with passengers and automobiles in the installed bays. The relative displacement between the stories forms flexural plastic hinges at the fuses and dissipate seismic energy. The theoretical formulation and the design procedure based on plastic analysis is provided for the proposed damper, and the results are compared with a detailed finite-element (FE) model. In order to apply the damper in structural analysis, a macromodel of the damper is also developed and calibrated by the derived theoretical formulas. The results are compared with the detailed FE analysis, and the efficiency of the damper is further validated by the seismic retrofit of a case study structure and assessing its seismic performance before and after the retrofit. The results show that the proposed hysteretic damper can be used effectively in reducing damage to soft-first story structures.
The study presented experimental and numerical investigation on the seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) L-shaped column- reinforced concrete (RC) beam joints. Various parameters described as steel configuration form, axial compressive ratio, loading angle, and the existence of slab were examined through 4 planar joints and 7 spatial joints. The characteristics of the load-displacement response included the bearing capacity, ductility, story drift ratio, energy-dissipating capacity, and stiffness degradation were analyzed. The results showed that shear failure and flexural failure in the beam tip were observed for planar joints and spatial joint, respectively. And RC joint with slab failed with the plastic hinge in the slab and bottom of the beam. The results indicated that hysteretic curves of spatial joints with solid-web steel were plumper than those with hollow-web specimens. The capacity of planar joints was higher than that of space joints, while the opposite was true for energy-dissipation capacity and ductility. The high compression ratio contributed to the increase in capacity and initial stiffness of the joint. The elastic and elastic-plastic story deformation capacity of L-shaped column frame joints satisfied the code requirement. A design formula of joint shear resistance based on the superposition theory and equilibrium plasticity truss model was proposed for engineering application.
This paper proposes a realistic approach to pushover analyses of reinforced concrete (RC) structures with single column type and frame type. The characteristic of plastic hinge of a single RC column subjected to fixed axial load was determined first according to column's three distinct failure modes which were often observed in the experiments or earthquakes. By using the determined characteristic of plastic hinge, the pushover analyses of single RC columns were performed and the analytical results were investigated to be significantly consistent with those of cyclic loading tests. Furthermore, a simplified methodology considering the effect of the variation of axial force for each RC column of the frame structure during pushover process is proposed for the first time. It would be helpful in performing pushover analysis for the structures examined in this study with efficiency as well as accuracy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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