The major sources of energy dissipation in steel frames with partially restrained (PR) connections are evaluated. Available experimental results are used to verify the mathematical model used in this study. The verified model is then used to quantify the energy dissipation in PR connections due to hysteretic behavior, due to viscous damping and at plastic hinges if they are formed. Observations are made for two load conditions: a sinusoidal load applied at the top of the frame, and a sinusoidal ground acceleration applied at the base of the frame representing a seismic loading condition. This analytical study confirms the general behavior, observed during experimental investigations, that PR connections reduce the overall stiffness of frames, but add a major source of energy dissipation. As the connections become stiffer, the contribution of PR connections in dissipating energy becomes less significant. A connection with a T ratio (representing its stiffness) of at least 0.9 should not be considered as fully restrained as is commonly assumed, since the energy dissipation characteristics are different. The flexibility of PR connections alters the fundamental frequency of the frame. Depending on the situation, it may bring the frame closer to or further from the resonance condition. If the frame approaches the resonance condition, the effect of damping is expected to be very important. However, if the frame moves away from the resonance condition, the energy dissipation at the PR connections is expected to be significant with an increase in the deformation of the frame, particularly for low damping values. For low damping values, the dissipation of energy at plastic hinges is comparable to that due to viscous damping, and increases as the frame approaches failure. For the range of parameters considered in this study, the energy dissipations at the PR connections and at the plastic hinges are of the same order of magnitude. The study quantitatively confirms the general observations made in experimental investigations for steel frames with PR connections; however, proper consideration of the stiffness of PR connections and other dynamic properties is essential in predicting the dynamic behavior.
Ample research effort has been oriented into developing damage indices with the aim of estimating in a reasonable manner the consequences, in terms of structural damage and deterioration, of severe plastic cycling. Although several studies have been devoted to calibrate damage indices for steel and reinforced concrete members; currently, there is a challenge to study and calibrate the use of such indices for the practical evaluation of complex structures. The aim of this paper is to introduce an energy-based damage index for multi-degree-of-freedom steel buildings that accounts explicitly for the effects of cumulative plastic deformation demands. The model has been developed by complementing the results obtained from experimental testing of steel members with those derived from analytical studies regarding the distribution of plastic demands on several steel frames designed according to the Mexico City Building Code. It is concluded that the approach discussed herein is a promising tool for practical structural evaluation of framed structures subjected to large energy demands.
Modified two-surface model (M2SM) is one of the steel elasto-plastic hysteretic constitutive models that consider both analysis accuracy and efficiency. However, when M2SM is used for complex strain history, sometimes the results are irrational due to the limitation of stress-strain path judgment. In this paper, the defect of M2SM was re-modified by improving the judgment of stress-strain paths. The accuracy and applicability of the improved method were verified on both material and structural level. Based on this improvement, the nonlinear time-history analysis was carried out for a deck-through steel arch bridge with a 200 m-long span under the ground motions of Chi-Chi earthquake and Niigata earthquake. In the analysis, we compared the results obtained by hysteretic constitutive models of improved two-surface model (I2SM) presented in this paper, M2SM and the bilinear kinematic hardening model (BKHM). Results show that, although the analysis precision of displacement response of different steel hysteretic models differs little from each other, the stress-strain responses of the structure are affected by steel hysteretic models apparently. The difference between the stress-strain responses obtained by I2SM and M2SM cannot be neglected. In significantly damaged areas, BKHM gives smaller stress result and obviously different strain response compared with I2SM and M2SM, and tends to overestimate the effect of hysteretic energy dissipation. Moreover, at some position with severe damage, BKHM may underestimate the size of seismic damaged areas. Different steel hysteretic models also have influences on structural damage evaluation results based on deformation behavior and low cycle fatigue, and may lead to completely different judgment of failure, especially in severely damaged areas.
The purpose of this study is to propose an analytical model for the simulation of the hysteretic behavior of RC (reinforced concrete) beam-column subassemblages under various loading histories. The discrete line element with inelastic rotational springs is adopted to model the different locations of the plastic hinging zone. The hysteresis model can be adopted for a dynamic two-dimensional inelastic analysis of RC frame structures. From the analysis of test results it is found that the stiffness deterioration caused by inelastic loading can be simulated with a function of basic pinching coefficients, ductility ratio and yield strength ratio of members. A new strength degradation coefficient is proposed to simulate the inelastic behavior of members as a function of the transverse steel spacing and section aspect ratio. The energy dissipation capacities calculated using the proposed model show a good agreement with test results within errors of 27%.
본 연구에서는 단자유도계 시스템에서 작성한 이력에너지 스펙트럼과 누적된 변위 연성비 스펙트럼을 이용하여 비좌굴 가새골조의 내진설계법을 제안하였다. 먼저 목표 연성비에 해당하는 이력에너지 스펙트럼과 누적된 연성비 스펙트럼을 작성하였다. 주어진 목표 변위를 만족하기 위하여 필요한 가새의 단면적은 이력에너지 요구량과 가새에 의하여 소산된 누적 소성에너지를 같다고 하여 산정하였다. 스펙트럼을 작성하고 설계절차의 유효성을 검증하기 위하여 20개의 지진기록을 이용하였다. 제안된 방법에 따라 설계된 3층과 8층 비좌굴 가새골조의 해석결과에 따르면 최상층 변위의 평균값이 성능 목표 변위에 잘 부합됨을 알 수 있다. 또한 층간변위는 구조물 높이에 따라 비교적 일정하였는데 이것은 손상 분포가 일정하기 때문에 바람직하다. 그러므로 제안된 에너지 설계법은 기존 강도설계법의 대안으로 비좌굴 가새골조의 신뢰할만한 설계법이라고 할 수 있다.
Seismic excitations may impart a significant amount of energy into structures. Modern structural design attitudes tend to absorb some part of this energy through special dissipaters instead of heavy plastic deformations on the structural members. Different types of dissipater have been generated and utilized in various types of structures in last few decades. The expected earthquake damage is mainly concentrated on these devices and they may be replaced after earthquakes. In this study, a low-cost device called energy dissipative steel cushion (EDSC) made of flat mild steel was developed and tested in the Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEELab) of Istanbul Technical University (ITU). The monotonic and cyclic tests of EDSC were performed in transversal and longitudinal directions discretely. Very large deformation capability and stable hysteretic behavior are some response properties observed from the tests. Load vs. displacement relations, hysteretic energy dissipation properties as well as the closed form equations to predict the behavior parameters are presented in this paper.
한국지진공학회 2000년도 춘계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Spring
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pp.399-408
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2000
IN analyzing earthquake response of structures important focus is on their diaplacements and shear forces. However seismic technology of passive energy dissipation makes focus on the seismic energy distribution of structures. The passive dampers enhance the capability of energy dissipation by their hysteretic behavior thus preventing the structural plastic deformation. In this paper the building structure with an active controller is analyzed with the view of earthquake energy distribution under elastic and plastic behaviors. The active control makes an effect of increasing damping capability which absorbs most of the earthquake input energy. Finally the different active gains resulting from the plastic deformation are applied to the active analysis and control forces and earthquake energy response are compared.
한국지진공학회 1997년도 추계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall 1997
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pp.217-224
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1997
One way in which a comparison can be mode between various reinforced concrete structures is to compare the rate of energy absorption capacity. It is useful to use a well-known standard hysteretic rule as a benchmark for comparisons. The concept of energy absorption efficiency with respect to an elaste-perfectly plastic (EPP) system has been adopted. The normalized cumulative energy, cumulative plastic drift and energy response spectra are used for the method. The previous study using the energy spectra developed by Chang and Mander (1994) indicates the cumulative plastic demand for most earthquakes to be 0.1 rad., but a conservative upper bound of 0.2 rad. could be expected for a maximum credible earthquake. From the present study, the energy absorption efficiency in R.C. structures with respect to the EPP system may range in 30%-45% for most cases.
고층의 강 모멘트저항골조에 대한 지진 응답을 살펴보기 위해서 동적해석을 실시하였다. 구조물은 세가지의 다른 설계절차로 의도적으로 설계하였고 그 세가지의 개념은 강도 지배설계, 강기둥-약보 지배설계, 횡변위 지배설계이다. 그렇게 설계한 구조물이 각각 질량비정형이 존재하도록 하여 횡변위, 소성한지, 이력에너지 입력 및 요구응력에 대해서 토론하였다. 미래에 설계에의 응용을 위해서 최대 지반가속도로 표현한 두 등급의 지진 하중을 이용해서 이력에너지 입력요구 곡선을 제시하였다.
Structures subjected to strong seismic excitation may undergo inelastic deformation cycles. The resulting cumulative fatigue damage process reduces the ability of structures and components to withstand seismic loads. Yet, the present earthquake resistance design methods focus mainly on the maximum displacement ductility, ignoring the effect of the cyclic responses. The damage parameters closely related to the cumulative damage need to be properly reflected on the aseismic design methods. In this study, two cumulative damage assessment methods derived from the plastic fatigue theory are investigated. The one is based on the hysteretic ductility amplitude, and the other is based on the dissipated hysteretic energy. Both methods can consider the maximum ductility and the cyclic behavior of structural response. The validity of two damage methods has been examined for single degree of freedom structures with various natural frequencies against two different earthquake excitations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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