Masoum M. Gharagoz;Seungho Chun;Mohamed Noureldin;Jinkoo Kim
Steel and Composite Structures
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v.51
no.2
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pp.173-183
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2024
This study investigates a new seismic retrofit system that utilizes rotational friction dampers and axial springs. The retrofit system involves a steel frame with rotational friction dampers (RFD) at beam-column joints and linear springs at the corners, providing energy dissipation and self-centering capabilities to existing structures. The axial spring acts as a self-centering mechanism that eliminates residual deformations, while the friction damper mitigates seismic damage. To evaluate the seismic performance of the proposed retrofit system, a series of cyclic loading tests were carried out on a steel beam-column subassembly equipped with the proposed devices. An analytical model was then developed to validate the experimental results. A performance point ratio (PPR) was presented to optimize the design parameters of the retrofit system, and a performance-based seismic design strategy was developed based on the PPR. The retrofit system's effectiveness and the presented performance-based design approach were evaluated through case study models, and the analysis results demonstrated that the developed retrofit system and the performance-based design procedure were effective in retrofitting structures for multi-level design objectives.
The uncertainties involved in structural performances are of importance when the optimum number and property of seismic retrofit devices are determined. This paper proposes a seismic retrofit design framework for asymmetric soft-first-story buildings, considering uncertainties in the soil condition and seismic retrofit device. The effect of the uncertain parameters on the structural performance is used to find a robust and optimal seismic retrofit solution. The framework finds a robust and optimal seismic retrofit solution by finding the optimal locations and mechanical properties of the seismic retrofit device for different realizations of the uncertain parameters. The structural performance for each realization is computed to evaluate the effect of the uncertainty parameters on the seismic performance. The framework utilizes parallel processing to decrease the computationally intensive nonlinear dynamic analysis time. The framework returns a robust design solution that satisfies the given limit state for every realization of the uncertain parameters. The proposed framework is applied to the seismic retrofit design of a five-story asymmetric soft-first-story case study structure retrofitted with a viscoelastic damper. Robust optimal parameters for retrofitting a structure to satisfy the limit state for the different realizations of the uncertain parameter are found using the proposed framework. According to the performance evaluation results of the retrofitted structure, the developed framework is proved effective in the seismic retrofit of the asymmetric structure with inherent uncertainties.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.2
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pp.59-69
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2022
The use of dampers is being considered a means to improve the seismic performance of buildings. It may take considerable time and effort to find an optimal design solution since repeated three-dimensional nonlinear time history analyses are required. Therefore, a preliminary design procedure for seismic retrofit using hysteretic dampers was proposed in this study. In the proposed procedure, the amount of retrofit (required number of dampers) is estimated from the capacity curve of the building before retrofit and allowable story drift of the building. In combining the capacity curves of the building and the dampers, the deformation demand for the dampers can be easily checked against their deformation capacity. The equations to transform the device displacement to roof displacement for the combination of capacity curves are developed. The proposed procedure was applied to the seismic retrofit design of sample buildings. The study found that the estimated capacity curve was very close to the actual capacity curve obtained from the pushover analysis, which can determine an appropriate configuration to meet the required seismic performance.
This research proposed a particle swarm optimization (PSO) based seismic retrofit design of moment frame structures using a steel frame assembly. Two full scale specimens of the steel frame assembly with different corner details were attached to one-story RC frames for seismic retrofit, and the lateral load resisting capacities of the retrofitted frames subjected to cyclic loads were compared with those of a bare RC frame. The open source software framework Opensees was used to develop an analytical model for validating the experimental results. The developed analytical model and the optimization scheme were applied to a case study structure for economic seismic retrofit design, and its seismic performance was assessed before and after the retrofit. The results show that the developed steel frame assembly was effective in increasing seismic load resisting capability of the structure, and the PSO algorithm could be applied as convenient optimization tool for seismic retrofit design of structures.
In the current research, a displacement-based seismic design scheme to retrofit reinforced concrete columns using FRP composite materials has been proposed. An accurate prediction for the nonlinear flexural analysis of FRP jacketed concrete members has been presented under multiaxial constitutive laws of concrete and composite materials. Through modification of the displacement coefficient method (DCM) and the direct displacement-based design method (DDM) of reinforced concrete structures, two algorithms for a performance-based seismic retrofit design of reinforced concrete columns with a FRP jacket have been newly introduced. From applications to retrofit design it is known that two methods are easy to apply in retrofit design and the DCM procedure underestimates the target displacement to compare with the DDM procedure.
In different high seismic regions around the world, many non-ductile existing reinforced concrete frame buildings, built without adequate seismic detailing requirements, have been damaged or collapsed after past earthquakes. The assessment and the retrofit of these non-ductile concrete structures is crucial theme of research for all the scientific community of engineers. In particular, a careful assessment of the existing building is fundamental for understanding the failure mechanisms that govern the collapse of the structure or the achievement of the recommended limit states. Based on the seismic assessment, the best retrofit strategy can be designed and applied to the structure. A school building located in Avellino province (Italy) is the case study. The analysis of seismic vulnerability carried out on the mentioned building has highlighted deficiencies in both static and seismic load conditions. The retrofit of the building has been designed based on different retrofit options in order to show the real retrofit design developed from the engineers to achieve the seismic safety of the building. The retrofit costs associated to structural operations are calculated for each case and have been summed up to the costs of the in situ tests. The paper shows a real retrofit design case study in which the best solution is chosen based on the results in terms of structural performance and cost among the different retrofit options.
China is prone to earthquake disasters, and the higher seismic performance is required by many existing civil buildings. And seismic evaluation and retrofit are effective measures to mitigate seismic hazards. With the development of performance-based seismic design and diverse retrofit technology for buildings, advanced evaluation methods and retrofit strategies are in need. In this paper, we introduced the evolution of seismic performance objectives in China combined with performance-based seismic design. Accordingly, multi-phase evaluation methods and comprehensive seismic capacity assessment are introduced. For buildings with seismic deficiency or higher performance requirements, the retrofit technologies are categorized into three types: component strengthening, system optimization, and passive control. Both engineering property and social property for the retrofit methods are discussed. The traditional seismic retrofit methods usually are costly and disturbing, and for example in Beijing, seismic strengthening costs approx. 1000 RMB/m2 (for 160 USD/m2), for hospital building even more expensive as 5000 RMB/m2(for 790 USD/m2). So cost-efficient and little disturbance methods are promising techniques. In the end, some opinions about the retrofit strategy and schemes category are shared and wish to discuss the situation and future of seismic retrofit in China.
The paper presents a simplified force-based seismic design procedure for the preliminary design of steel haunch retrofitting for the seismic upgrade of deficient RC frames. The procedure involved constructing a site-specific seismic design spectrum for the site, which is transformed into seismic base shear coefficient demand, using an applicable response modification factor, that defines base shear force for seismic analysis of the structure. Recent experimental campaign; involving shake table testing of ten (10), and quasi-static cyclic testing of two (02), 1:3 reduced scale RC frame models, carried out for the seismic performance assessment of both deficient and retrofitted structures has provided the basis to calculate retrofit-specific response modification factor Rretrofitted. The haunch retrofitting technique enhanced the structural stiffness, strength, and ductility, hence, increased the structural response modification factor, which is mainly dependent on the applied retrofit scheme. An additional retrofit effectiveness factor (ΩR) is proposed for the deficient structure's response modification factor Rdeficient, representing the retrofit effectiveness (ΩR=Rretrofitted /Rdeficient), to calculate components' moment and shear demands for the retrofitted structure. The experimental campaign revealed that regardless of the deficient structures' characteristics, the ΩR factor remains fairly the unchanged, which is encouraging to generalize the design procedure. Haunch configuration is finalized that avoid brittle hinging of beam-column joints and ensure ductile beam yielding. Example case study for the seismic retrofit designs of RC frames are presented, which were validated through equivalent lateral load analysis using elastic model and response history analysis of finite-element based inelastic model, showing reasonable performance of the proposed design procedure. The proposed design has the advantage to provide a seismic zone-specific design solution, and also, to suggest if any additional measure is required to enhance the strength/deformability of beams and columns.
Generally, the goal of seismic retrofit design of an existing structure using energy dissipation devices is to determine the optimum design parameters of a retrofit device to satisfy a specified limit state with minimum cost. However, the presence of multiple parameters to be optimized and the computational complexity of performing non-linear analysis make it difficult to find the optimal design parameters in the realistic 3D structure. In this study, genetic algorithm-based optimal seismic retrofit methods for determining the required number, yield strength, and location of steel slit dampers are proposed to retrofit an asymmetric soft first-story structure. These methods use a multi-objective and single-objective evolutionary algorithms, each of which varies in computational complexity and incorporates nonlinear time-history analysis to determine seismic performance. Pareto-optimal solutions of the multi-objective optimization are found using a non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). It is demonstrated that the developed multi-objective optimization methods can determine the optimum number, yield strength, and location of dampers that satisfy the given limit state of a three-dimensional asymmetric soft first-story structure. It is also shown that the single-objective distribution method based on minimizing plan-wise stiffness eccentricity turns out to produce similar number of dampers in optimum locations without time consuming nonlinear dynamic analysis.
Seismic upgrading of existing structures is a technical and social issue aimed at risk reduction. Sustainable design is one of the most important challenges in any structural project. Nowadays, many retrofit strategies are feasible and several traditional and innovative options are available to engineers. Basically, the design strategy can lead to increase structural ductility, strength, or both of them, but also stiffness regulation and supplemental damping are possible strategies to reduce seismic vulnerability. Each design solution has different technical and economical performances. In this paper, four different design solutions are presented for the retrofit of an existing RC frame with poor concrete quality and inadequate reinforcement detailing. The considered solutions are based on FRP wrapping of the existing structural elements or alternatively on new RC shear walls introduction. This paper shows the comparison among the considered design strategies in order to select the suitable solution, which reaches the compromise between the obtained safety level and costs during the life-cycle of the building. Each solution is worked out by considering three different levels of seismic demand. The structural capacity of the considered retrofit solutions is assessed with nonlinear static analysis and the seismic performance is evaluated with the capacity spectrum method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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