This paper presents the experimental as well as analytical study conducted on layer-bonded scrap tire rubber pad (STRP) isolators to develop low-cost seismic isolators applicable to structures in developing countries. The STRP specimen samples were produced by stacking the STRP layers one on top of another with the application of adhesive. In unbonded application, the STRP bearings were placed between the substructure and superstructure without fastening between the contact surfaces which allows roll-off of the contact supports. The vertical compression and horizontal shear tests were conducted with varying axial loads. These results were used to compute the different mechanical properties of the STRP isolators including vertical stiffness, horizontal effective stiffness, average horizontal stiffness and effective damping ratios. The load-displacement relationships of STRP isolators obtained by experimental and finite element analysis results were found to be in close agreement. The tested STRP samples show energy dissipation capacity considerably greater than the natural rubber bearings. The layer-bonded STRP isolators serve positive incremental force resisting capacity up to the shear strain level of 150%.
As a lateral load resisting component, buckling restrained steel plate shear walls (BRW) have excellent energy dissipating capacity. Similar to thin steel plate shear walls, the mechanical behavior of BRWs depends on the boundary elements (adjacent beams and columns) which need adequate strength and stiffness to ensure the complete yielding of BRWs and the emergence of expected plastic collapse mechanism of frame. This paper presents a theoretical approach to estimate the design forces for boundary elements of beam-connected BRW (i.e., The BRW is only connected to beams at its top and bottom, without connections to columns) using a fundamental plastic collapse mechanism of frame, a force transferring model of beam-connected BRW and linear beam and column analysis. Furthermore, the design method of boundary beams and columns is presented. The proposed approach does not involve nonlinear analyses, which can be easily and efficiently used to estimate the design forces of beams and columns in a frame with BRWs. The predicted design forces of boundary elements are compared with those from nonlinear finite element analyses, and a good agreement is achieved.
This paper proposes a one-dimensional fiber beam element model taking account of materially non-linear behavior, benefiting the highly efficient elastic-plastic analysis of girders with shear-lag effects. Based on the displacement-based fiber beam-column element, two additional degrees of freedom (DOFs) are added into the proposed model to consider the shear-lag warping deformations of the slabs. The new finite element (FE) formulations of the tangent stiffness matrix and resisting force vector are deduced with the variational principle of the minimum potential energy. Then the proposed element is implemented in the OpenSees computational framework as a newly developed element, and the full Newton iteration method is adopted for an iterative solution. The typical materially non-linear behaviors, including the cracking and crushing of concrete, as well as the plasticity of the reinforcement and steel girder, are all considered in the model. The proposed model is applied to several test cases under elastic or plastic loading states and compared with the solutions of theoretical models, tests, and shell/solid refined FE models. The results of these comparisons indicate the accuracy and applicability of the proposed model for the analysis of both concrete box girders and steel-concrete composite girders, under either elastic or plastic states.
Gel-type biopolymers have recently been introduced as environmentally friendly soil binders and have shown substantial strengthening effects in laboratory experimental programs. Although the strengthening effects of biopolymer-treated sands have been verified in previous direct shear tests and uniaxial compression tests, there has been no attempt to examine shear behavior under different confining stress conditions. This study therefore aimed to investigate the strengthening effects of biopolymer-treated sand using laboratory triaxial testing with a focus on confining pressures. Three representative confining pressure conditions (${\sigma}_3=50kPa$, 100 kPa, and 200 kPa) were tested with varying biopolymer contents ($m_{bp}/m_s$) of 0.5%, 1.0%, and 2.0%, respectively. Based on previous studies, it was assumed that biopolymer-treated sand is susceptible to hydraulic conditions, and therefore, the experiments were conducted in both a hydrated xanthan gum condition and a dehydrated xanthan gum condition. The results indicated that the shear resistance was substantially enhanced and there was a demonstrable increase in cohesion as well as the friction angle when the biopolymer film matrix was comprehensively developed. Accordingly, it can be concluded that the feasibility of the biopolymer treatment will remain valid under the confining pressure conditions used in this study because the resisting force of the biopolymer-treated soil was higher than that in the untreated condition, regardless of the confining pressure.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1999.10a
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pp.212-219
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1999
In this paper we investigated an applicability of earthquake regulations for seismic-isolated building structures which has been used currently and propose an efficient method for vertical distribution of seismic loads. The distribution of force is revised in UBC-94 as vertical distribution of force of UBC(Uniform Building Code)-91 is not sufficient safety but its distribution is inefficient expensive because of similar expression to fixed-based structures. In order to overcome this difficulties improved vertical distribution to fixed-based structures. In order to overcome this difficulties improved vertical distribution of seismic load is proposed using two degrees-of-freedom isolated structures and mode shape of fixed-based structures. Efficiency and accuracy of the proposed method are verified through analysis of an example structures with moment resisting frame and shear walls so this study approximate to dynamic analysis results in each case.
Base isolation is widely used in seismic resisting buildings due to its low construction cost, high reliability, mature theory and convenient usage. However, it is difficult to design the isolation layer in high-rise buildings using the available bearings because high-rise buildings are characterized with long period, low horizontal stiffness, and complex re-distribution of the internal forces under earthquake loads etc. In this paper, a simple and innovative isolation bearing, named Teflon-based lead rubber isolation bearing, is developed to address the mentioned problems. The Teflon-based lead rubber isolation bearing consists of friction material and lead rubber isolation bearing. Hence, it integrates advantages of friction bearings and lead rubber isolation bearings so that improves the stability of base isolation system. An experimental study was conducted to validate the effectiveness of this new bearing. The effects of vertical loading, displacement amplitude and loading frequency on the force-displacement relationship and energy dissipation capacity of the Teflon-based lead rubber isolation bearing were studied. An analytical model was also proposed to predict the force-displacement relationship of the new bearing. Comparison of analytical and experimental results showed that the analytical model can accurately predict the force-displacement relationship and elastic shear deflection of the Teflon-based lead rubber isolation bearings.
For steel-concrete girders made composite using shear studs, initial damage on studs induced by weld defect, unexpected overloading, fatigue and others might degrade the service performance and even threaten the structural safety. This paper conducted a numerical study to investigate the static behavior of damaged stud shear connectors that were embedded in ultra high performance concrete (UHPC). Parameters included damage degree and damage location. The material nonlinear behavior was characterized by multi-linear stress-strain relationship and damage plasticity model. The results indicated that the shear strength was not sensitive to the damage degree when the damage occurred at 2/3d (d is the stud diameter) from the stud root. An increased stud area would be engaged in resisting shear force as the distance of damage location from stud root increased and the failure section becomes inclined, resulting in a less reduction in the shear strength and shear stiffness. The reduction factor was proposed to consider the degradation of the shear strength of the damaged stud. The reduction factor can be calculated using two approaches: a linear relationship and a square relationship with the damage degree corresponding to the shear strength dominated by the section area and the nominal diameter of the damaged stud. It was found that the proposed method is preferred to predict the shear strength of a stud with initial damage.
Damages to buildings affected by a near-fault strong ground motion are largely attributed to the vertical component of the earthquake resulting in column failures, which could lead to disproportionate building catastrophic collapse in a progressive fashion. Recently, considerable interests are awakening to study effects of earthquake vertical components on structural responses. In this study, detailed modeling and time-history analyses of a 12-story code-conforming reinforced concrete moment frame building carrying the gravity loads, and exposed to once only the horizontal component of, and second time simultaneously the horizontal and vertical components of an ensemble of far-field and near-field earthquakes are conducted. Structural responses inclusive of tension, compression and its fluctuations in columns, the ratio of shear demand to capacity in columns and peak mid-span moment demand in beams are compared with and without the presence of the vertical component of earthquake records. The influences of the existence of earthquake vertical component in both exterior and interior spans are separately studied. Thereafter, the correlation between the increase of demands induced by the vertical component of the earthquake and the ratio of a set of earthquake record characteristic parameters is investigated. It is shown that uplift initiation and the magnitude of tensile forces developed in corner columns are relatively more critical. Presence of vertical component of earthquake leads to a drop in minimum compressive force and initiation of tension in columns. The magnitude of this reduction in the most critical case is recorded on average 84% under near-fault ground motions. Besides, the presence of earthquake vertical components increases the shear capacity required in columns, which is at most 31%. In the best case, a direct correlation of 95% between the increase of the maximum compressive force and the ratio of vertical to horizontal 'effective peak acceleration (EPA)' is observed.
Engineering behaviour of uplift-resisting ground anchors constructed in weathered rocks has been investigated by carrying out a series of full scale pull-out tests. The anchor was to resist uplift forces (buoyancy) associated with high groundwater table acting on the basement of a rail way station. The study has included the ultimate pull-out capacity of the anchors and shear stress transfer mechanism at the anchor-ground interface. The pull-out tests were conducted by changing bonded lengths of the anchor (2~7 m) and diameter of drilled borehole (108~165 mm) to investigate their effects on the behaviour of the anchor. The measured results showed that the ultimate capacity of the anchors was increased with an increase in the bonded length, diameter of drilled borehole as expected. The ultimate capacity of the anchors deduced from the pull-out tests ranged from 392 to 1,569 kN, depending on the above-mentioned factors. This corresponds to the interface shear strength of about 227~505 kPa. Interface shear stresses deduced from the pull-out test showed that the larger the pull-out force, the larger the mobilisation of the interface shear strength. The failure mode of the anchors heavily depended on the bonded lengths of the anchors. When the bonded length was short (2~3 m), a cone-type failure was observed, whereas when the bonded length increased (5~7 m), failure developed at the grout-ground interface.
In this paper, an analytical study was carried out to propose an optimum base-isolated system for the design of steel structures equipped with lead rubber bearings (LRB). For this, 5 and 10-storey steel moment resisting frames (MRFs) were designed as Special Moment Frame (SMF). These two-dimensional and three-bay frames equipped with a set of isolation systems within a predefined range that minimizes the response of the base-isolated frames subjected to a series of earthquakes. In the design of LRB, two main parameters, namely, isolation period (T) and the ratio of strength to weight (Q/W) supported by isolators were considered as 2.25, 2.5, 2.75 and 3 s, 0.05, 0.10 and 0.15, respectively. The Force-deformation behavior of the isolators was modelled by the bi-linear behavior which could reflect the nonlinear characteristics of the lead-plug bearings. The base-isolated frames were modelled using a finite element program and those performances were evaluated in the light of the nonlinear time history analyses by six natural accelerograms compatible with seismic hazard levels of 2% probability of exceedance in 50 years. The performance of the isolated frames was assessed in terms of roof displacement, relative displacement, interstorey drift, absolute acceleration, base shear and hysteretic curve.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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