The reliability-based seismic design of steel frames is a complex process that incorporates seismic demand with a structural capacity to attain safe buildings aligned with specified constraints. This paper introduces an efficient base shear force formulation to support the reliability-based design process of steel frames. The introduced base shear force equation combines the seismic demand statistics with the reliability objective to calculate a fictitious base shear force for linear static analysis. By concentrating on the seismic demand and promising to meet a certain level of reliability, the equation converts the reliability-based seismic design problem to a deterministic one. Two code-compliant real-size steel moment frames are developed according to different reliability objectives to demonstrate the competency of the proposed formula. The nonlinear dynamic analysis method is used to assess the seismic reliability of the constructed frames, and the numerical results validate the credibility of the suggested formulation. The base shear force calculation method regarding seismic reliability is the main finding of this study. The ease of use makes this approach a potent tool for design professionals and stakeholders to make rapid risk-informed decisions regarding steel moment frame design.
Recently, demands for the structural uses with domestic Japanese larch and SPF(spruce-pine-fir) lumber from North America have been increased. Shear properties of nailed joints that are the most simple and optimum fastening method in wooden constructions, especially in light frame construction. For the nailed joints, in North America and Japan, a number of basic and practical studies have been performed. The shear behaviors for the double nailed joint with variations of member and its direction, were examined. Shear properties of the shear specimens with SPF stud showed more remarkable variation than larch glulam and larch stud. Furthermore, the relationships between slip modulus and strength are not coincided in every case.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.21
no.3
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pp.121-129
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2017
In this paper, the shake table test for the masonry infilled reinforced concrete frame with non-seismic details was carried out in order to evaluate its dynamic behaviour and damage under seismic condition. The tested specimens were the RC frame and the masonry infilled RC frame and the dynamic characteristics, such as a resonant period, acceleration response, displacement response and base shear force response, were compared between them. As a result of the shake table test, RC frame specimen had flexural cracks at the top and bottom of the column and shear cracks at the joints. In the case of masonry infilled RC frame, the damage of the frame was relatively minor but the sliding cracks and diagonal shear cracks on the masonry wall were severe at the final excitation. The resonant period of infilled RC frame specimen was shorter than that of the RC frame specimen because the masonry infill contributed to increase the stiffness. The maximum displacement response of the infilled RC frame specimen was decreased by about 20% than the RC frame specimen. It was analyzed that the masonry infill wall applied in this study contributed to increase the lateral strength of the RC frame with non - seismic detail by about 2.2 times and the stiffness by about 1.6 times.
Shear walls have high stiffness and strength; however, they lack energy dissipation and repairability. In this study, an innovative slotted shear wall featuring vertical slots and steel energy dissipation connectors was developed. The ductility and energy dissipation of the shear wall were improved, while sufficient bearing capacity and structural stiffness were retained. Furthermore, the slotted shear wall does not support vertical forces, and thus it does not have to be arranged continuously along the height of the structure, leading to a much free arrangement of the shear wall. A frame-slotted shear wall structure that combines the conventional frame structure and the innovative shear wall was developed. To investigate the ductility and hysteretic behavior of the slotted shear wall, finite element models of two walls with different steel connectors were built, and pushover and quasi-static analyses were conducted. Numerical analysis results indicated that the deformability and energy dissipation were guaranteed only if the steel connectors yielded before plastic hinges in the wall limbs were formed. Finally, a modified D-value method was proposed to estimate the bearing capacity and stiffness of the slotted shear wall. In this method, the wall limbs are analogous to columns and the connectors are analogous to beams. Results obtained from the modified D-value method were compared with those obtained from the finite element analysis. It was found that the internal force and stiffness estimated with the modified D-value method agreed well with those obtained from the finite element analysis.
The dynamic tests of recycled aggregate concrete (RAC) are carried out, the rate-dependent mechanical models of RAC are proposed. The dynamic mechanical behaviors of RAC frame structure are investigated by adopting the numerical simulation method of the finite element. It is indicated that the lateral stiffness and the hysteresis loops of RAC frame structure obtained from the numerical simulation agree well with the test results, more so for the numerical simulation which is considered the strain rate effect than for the numerical simulation with strain rate excluded. The natural vibration frequency and the lateral stiffness increase with the increase of the strain rate. The dynamic model of the lateral stiffness is proposed, which is reasonably applied to describe the effect of the strain rate on the lateral stiffness of RAC frame structure. The effect of the strain rate on the structural deformation and capacity of RAC is analyzed. The analyses show that the inter-story drift decreases with the increase of the strain rate. However, with the increasing strain rate, the structural capacity increases. The dynamic models of the base shear coefficient and the overturning moment of RAC frame structure are developed. The dynamic models are important and can be used to evaluate the strength deterioration of RAC structure under dynamic loading.
The effectiveness of the repair scheme for the damaged captive-columns with CFRPs (Carbon Fiber Reinforced Polymer) was investigated in terms of response quantities such as strength, ductility, dissipated energy and stiffness degradation. Two 1/3 scale, one-story one-bay RC (Reinforced Concrete) frames were designed to represent the substandard RC buildings in Turkish building stock. The first one, which is the reference specimen, is the bare frame without infill wall. Partial infill wall with opening was constructed between the columns of the second frame and this caused captive column defect. Severe damage was observed with the concentration of shear cracks in the second specimen columns. Then, the damaged members were repaired by CFRP wrapping and retested. For the three test series, similar reversed cyclic lateral displacement under combined effect of axial load was applied to the top of the columns. Overall response of the bare frame was dominated by flexural cracks. Brittle type of shear failure in the column top ends was observed in the specimen with partial infill wall. It was observed that former capacity of damaged members of the second frame was recovered by the applied repair scheme. Moreover, ultimate displacement capacity of the damaged frame was improved considerably by CFRP wrapping.
Monsef Ahmadi, H.;Sheidaii, M.R.;Tariverdilo, S.;Formisano, A.;De Matteis, G.
Earthquakes and Structures
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v.20
no.4
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pp.377-388
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2021
Thin perforated Steel Plate Shear Walls (SPSWs) are among the most common types of seismic energy dissipation systems to protect the main boundary components of SPSWs from fatal fractures in the high-risk zones. In this paper, the cyclic behavior of the different circular hole patterns under cyclic loading is reported. Based on the experimental results, it can be concluded that a change in the perforation pattern of the circular holes leads to a change in the locations of the fracture tendency over the web plate, especially at the plate-frame interactions. Accordingly, the cyclic responses of the tested specimens were simulated by finite element method using the ABAQUS package. Likewise, perforated shear panels with a new perforation pattern obtained by implementing Topology Optimization (TO) were proposed. It was found that the ultimate shear strength of the specimen with the proposed TO perforation pattern was higher than that of the other specimens. In addition, theoretical equations using the Plate-Frame Interaction (PFI) method were used to predict the shear strength and initial stiffness of the considered specimens. The theoretical results showed that the proposed reduced coefficients relationships cannot accurately predict the shear strength and initial stiffness of the considered perforated shear panels. Therefore, the reduced coefficients should be adopted in the theoretical equations based on the obtained experimental and numerical results. Finally, with the results of this study, the shear strength and initial stiffness of these types of perforated shear panels can be predicted by PFI method.
In this study, a method has been proposed for the static and dynamic nonlinear analysis of multi-storey buildings, which takes into account the contribution of axial deformations in vertical load-bearing elements, which are especially important in tall and narrow structures. Shear deformations on the shear walls were also taken into account in the study. The presented method takes into account the effects that are not considered in the fishbone and flexural-shear beam models developed in the literature. In the Fishbone model, only frame systems are modeled. In the flexural shear beam model developed for shear wall systems, shear deformations and axial deformations in the walls are neglected. Unlike the literature, with the model proposed in this study, both shear deformations in the walls and axial deformations in the columns and walls are taken into account. In the proposed model, multi-storey building is represented as a sandwich beam consisting of Timoshenko beams pieced together with a double-hinged beam. At each storey, the total moment capacities of the frame beams and the coupled beams in the coupled shear walls are represented as the equivalent shear capacity. On the other hand, The sums of individual columns and walls moment at the relevant floor level are represented as equivalent moment capacity at that floor level. At the end of the study, examples were solved to show the suitability of the proposed method in this study. The SAP2000 program is employed in analyses. In a conclusion, it is observed that among the solved examples, the proposed sandwich beam model gives good results. As can be seen from these results, it is seen that the presented method, especially in terms of base shear force, gives very close results to the detailed finite element method.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.3C
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pp.121-127
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2012
This paper investigates the response of frame structures with the consideration of tunnel construction (ground loss) conditions. The response of four-story open frame structure and block-infilled frame structures, which are subjected to tunnelling-induced ground movements, has been investigated in different construction (ground loss) conditions using numerical analysis. The open frame structure has been modelled as an elastic structure, while the block-infilled frame structure has been modelled to have real cracks when the shear and tensile stress exceed the maximum shear and tensile strength. The response of the two different frame structures has been investigated in terms of construction (ground loss) conditions considering the magnitude of deformations and cracks in structures. In addition, the damage levels, which are possibly induced in the structures, has been provided in terms of construction (ground loss) conditions using the state of strain damage estimation criterion (Son and Cording, 2005). The results of this study will provide a background for better understandings for controlling and minimizing building damage on nearby frame structures due to tunnelling-induced ground movements.
The code static eccentricity model for elastic torsional design of structures has two critical shortcomings: (1) the negation of the inertial torsional moment at the center of mass (CM), particularly for torsionally-unbalanced (TU) building structures, and (2) the confusion caused by the discrepancy in the definition of the design eccentricity in codes and the resistance eccentricity commonly used by engineers such as in FEMA454. To overcome these shortcomings, using the resistance eccentricity model that can accommodate the inertial torsional moment at the CM, interactive relations between shear and torsion are proposed as follows: (1) elastic responses of structures at instants of peak edge-frame drifts are given as functions of resistance eccentricity, and (2) elastic hysteretic relationships between shear and torsion in forces and deformations are bounded by ellipsoids constructed using two adjacent dominant modes. Comparison of demands estimated using these two interactive relations with those from shake-table tests of two TU building structures (a 1:5-scale five-story reinforced concrete (RC) building model and a 1:12-scale 17-story RC building model) under the service level earthquake (SLE) show that these relations match experimental results of models reasonably well. Concepts proposed in this study enable engineers to not only visualize the overall picture of torsional behavior including the relationship between shear and torsion with the range of forces and deformations, but also pinpoint easily the information about critical responses of structures such as the maximum edge-frame drifts and the corresponding shear force and torsion moment with the eccentricity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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