Lakhade, Suraj O.;Kumar, Ratnesh;Jaiswal, mprakash R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.6
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pp.587-601
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2018
Elevated water tanks are inverted pendulum type structures where drift limit is an important criterion for seismic design and performance evaluation. Explicit drift criteria for elevated water tanks are not available in the literature. In this study, probabilistic approach is used to determine maximum drift limit for damage state of yielding and damage state of collapse for the elevated water tanks supported on RC frame staging. The two damage states are defined using results of incremental dynamic analysis wherein a total of 2160 nonlinear time history analyses are performed using twelve artificial spectrum compatible ground motions. Analytical fragility curves are developed using two-parameter lognormal distribution. The maximum allowable drifts corresponding to yield and collapse level requirements are estimated for different tank capacities. Finally, a single fragility curve is developed which provides maximum drift values for the different probability of damage. Further, for rational consideration of the uncertainties in design, three confidence levels are selected and corresponding drift limits for damage states of yielding and collapse are proposed. These values of maximum drift can be used in performance-based seismic design for a particular damage state depending on the level of confidence.
The wind design of buildings is typically based on strength provisions under ultimate loads. This is unlike the ductility-based approach used in seismic design, which allows inelastic actions to take place in the structure under extreme seismic events. This research investigates the application of a similar concept in wind engineering. In seismic design, the elastic forces resulting from an extreme event of high return period are reduced by a load reduction factor chosen by the designer and accordingly a certain ductility capacity needs to be achieved by the structure. Two reasons have triggered the investigation of this ductility-based concept under wind loads. Firstly, there is a trend in the design codes to increase the return period used in wind design approaching the large return period used in seismic design. Secondly, the structure always possesses a certain level of ductility that the wind design does not benefit from. Many technical issues arise when applying a ductility-based approach under wind loads. The use of reduced design loads will lead to the design of a more flexible structure with larger natural periods. While this might be beneficial for seismic response, it is not necessarily the case for the wind response, where increasing the flexibility is expected to increase the fluctuating response. This particular issue is examined by considering a case study of a sixty-five-story high-rise building previously tested at the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory at the University of Western Ontario using a pressure model. A three-dimensional finite element model is developed for the building. The wind pressures from the tested rigid model are applied to the finite element model and a time history dynamic analysis is conducted. The time history variation of the straining actions on various structure elements of the building are evaluated and decomposed into mean, background and fluctuating components. A reduction factor is applied to the fluctuating components and a modified time history response of the straining actions is calculated. The building components are redesigned under this set of reduced straining actions and its fundamental period is then evaluated. A new set of loads is calculated based on the modified period and is compared to the set of loads associated with the original structure. This is followed by non-linear static pushover analysis conducted individually on each shear wall module after redesigning these walls. The ductility demand of shear walls with reduced cross sections is assessed to justify the application of the load reduction factor "R".
Kim, Sang Hyo;Choi, Moon Seock;Park, Se Jun;Ahn, Jin Hee
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.3
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pp.88-98
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2011
Masonry structure is a style of building which has been widely applied as residential facilities of low and middle stories, commercial and public facilities etc. But it is possible to destroy by loss of adhesive strength or sliding when lateral forces, such as earthquake, occurs. This study proposes a seismic retrofit method for masonry structure and its seismic performance is demonstrated by shaking table test. Two specimens per each shaking direction were made, having out-of-plane(weak axis) and in-plane(strong axis) direction. External load of 1 ton was also applied for each specimen during the test, to model the behavior of reinforced masonry wall. As a result of shaking table tests, it is shown that the specimen applying the proposed seismic retrofit method showed acceptable behaviors in both of Korea building design criteria(0.14g) and USA seismic criteria suggested by IBC(0.4g). However, it was observed that stiffness of the specimen toward out-of-plane was rapidly decreasing when seismic excitations over 0.14g were loaded. In comparison of relative displacements, maximum relative displacement of specimens which were accelerated toward out-of-plane with 0.4g at once was 29~31% of maximum relative displacement when specimens were gradually accelerated from 0.08g to 0.4g, while the maximum relative displacement of specimens accelerated toward in-plane has similar value in both cases. Therefore, it is concluded that the wall accelerated toward out-of-plane is more affected by hair crack or possible fatigues caused by seismic excitation.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.5
no.4
s.19
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pp.85-93
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2005
It has been commonly assumed that during the 21st century, the korean peninsula may suffer huge earthquake damage to people, society, and economic system. The recent report of "Seoul Earthquake Response model development" conducted by the city of Seoul indicated that a magnitude 6.3 earthquake possibly hit Seoul, the capital of Korea. However, due to the insufficient amount of study on seismic performance of structures reflecting the various types of element peculiar to Korea application of the currently available earthquake damage evaluation methods has limitations. In order to conduct various studies on seismic hazards that are suitable for the actual conditions in Korea, therefore, fundamental studies first have to be properly conducted. The purpose of this study is to serve as the basis of establishing a reliable earthquake damage estimation system, and to provide essential data for the seismic damage evaluation of nonseismically reinforced concrete apartment structures. In this study, a standard type of nonseismically reinforced concrete apartments has been determined based on an extensive survey and careful review of such structures in Korea, and their performance level on seismic loading has been estimated.
In order to study the working mechanism of rectangular steel-concrete composite columns subjected to compression-bending load and further determine the seismic performance index, a bottom strengthened rectangular steel reinforced concrete (SRC) column with concealed steel plates and a bottom strengthened rectangular concrete filled steel tube (CFST) columns were proposed. Six column models with different configurations were tested under horizontal low cyclic loading. Based on the experiments, the load-bearing capacity, stiffness and degradation process, ductility, hysteretic energy dissipation capacity, and failure characteristics of the models were analyzed. The load-bearing capacity calculation formulas for a normal section and an oblique section of bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns were pesented and a finite element (FE) numerical simulation of the classical specimens was performed. The study shows that the load-bearing capacity, ductility, and seismic energy dissipation capacity of the bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns are significantly improved compared to the conventional rectangular steel-concrete composite columns and the results obtained from the calculation and the FE numerical simulation are in good agreement with those from the experiments. The rectangular steel-concrete composite column with bottom strengthened shows better seismic behavior and higher energy dissipation capacity under suitable constructional requirements and it can be applied to the structure design of high-rise buildings.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.11-18
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2011
The connection type of steel moment frames in the country is mostly fabricated in factories so that it is fairly ductile due to good quality control. Based on references, the domestic connection satisfies the performance limit for steel intermediate moment frames specified by the AISC. However, the current KBC2009 building code specifies various systems for steel moment frames such as ordinary, intermediate, and special moment frames while the former KBC2005 only did so for a ductile moment frame. This induces the necessity of investigating which system is appropriate in the country when the domestic connection is applied. Therefore, this study was aimed at finding a proper design method by comparing the ductile moment frame in KBC2005 and the intermediate moment frames in KBC2009. The results showed that seismic design parameters for the ductile moment frames can be reasonable for satisfying the performance objective.
Shake table tests were conducted on scaled tunnel model to investigate the mechanism and effect of seismic loadings on horseshoe scaled tunnel model in ground fissure site. Key technical details of the experimental test were set up, including similarity relations, boundary conditions, sensor layout, modelling methods were presented. Synthetic waves and El Centro waves were adopted as the input earthquake waves. Results measured from hanging wall and foot wall were compared and analyzed. It is found that the seismic loadings increased the subsidence of hanging wall and lead to the appearance and propagation of cracks. The values of acceleration, earth pressure and strain were greater in the hanging wall than those in the foot wall. The tunnel exhibited the greatest earth pressure on right and left arches, however, the earth pressure on the crown of arch is the second largest and the inverted arch has the least earth pressure in the same tunnel section. Therefore, the effect of the hanging wall on the seismic performance of metro tunnel in earth fissure ground should be considered in the seismic design.
Ali Ihsan Celik;Mehmet Metin Kose;Ahmet Celal Apay
Earthquakes and Structures
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v.27
no.2
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pp.97-111
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2024
In this paper, buckling conditions and retrofitting of cylindrical steel water storage tanks with different roof types and wall thicknesses were investigated by using finite element method. Four roof types of cylindrical steel tanks which are open-top, flat-closed, conical-closed and torispherical-closed and three wall thicknesses of 4, 6 and 8 mm were considered in FE modeling of cylindrical steel tanks. The roof shapes significantly affect load distribution on the tank shell under the seismic action. Composite FRP materials are widely used for winding thin-walled cylindrical steel structures. The retrofitting efficiency of cylindrical steel water tank is tested under the seismic loading with the externally bonded CFRP laminates. In retrofitting of cylindrical steel tank, the CFRP composite material coating method was used to improve of seismic performance of cylindrical steel tanks. ANSYS software was used to analyze the cylindrical steel tanks and maximum equivalent (von-Mises) and directional deformation were obtained. Equivalent (von-Mises) stresses significantly decreased due to the coating of the tank shell with FRP composite material. In thin-walled steel structures, excessive stress causes buckling and deformations. Therefore, retrofitting led to decrease in stress, reductions in directional and buckling deformation of the open-top, flat-closed, conical-closed and torispherical-closed tanks.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
Lee Jae-Hoon;Ko Seong-Hyun;Lee Dae-Hyoung;Chung Young-Soo
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.16
no.6
s.84
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pp.823-832
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2004
The purpose of this research is to investigate the flexure-shear behavior of bridge columns under seismic loads. Four full scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with constant axial load. The selected test variables are aspect ratio(1.825, 2.5, 4.0), transverse steel configuration, and longitudinal steel ratio. Volumetric ratio of transverse hoop of all the columns is 0.0023 in the plastic hinge region. It corresponds to $24\%$ of the minimum requirement of confining steel by Korean Bridge Design Specifications, which represent existing columns not designed by the current seismic design specifications or designed by limited ductility concept. The columns showed flexural failure or flexure-shear failure depending on the test variables. Failure behavior and seismic performance are investigated and discussed in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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