This paper presents a multimodal adaptive nonlinear static method of analysis that, differently from the nonlinear static methods suggested in seismic codes, does not require the definition of the equivalent Single-Degree-Of-Freedom (SDOF) system to evaluate the seismic response of structures. First, the proposed method is formulated for the assessment of r.c. plane frames and then it is extended to 3D framed structures. Furthermore, the proposed nonlinear static approach is re-elaborated as a displacement-based design method that does not require the use of the behaviour factor and takes into account explicitly the plastic deformation capacity of the structure. Numerical applications to r.c. plane frames and to a 3D framed structure with inplan irregularity are carried out to illustrate the attractive features as well as the limitations of the proposed method. Furthermore, the numerical applications evidence the uncertainty about the suitability of the displacement demand prediction obtained by the nonlinear static methods commonly adopted.
Seol, Yun Jeong;Park, Ji-Hun;Kwak, Byeong Hun;Kim, Dae Ho
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.1
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pp.31-38
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2022
Based on the nonlinear static analysis and the approximate seismic evaluation method adopted in "Guidelines for seismic performance evaluation for existing buildings, two methods to calculate strength demand for retrofitting individual structural walls in unreinforced masonry buildings are proposed." The displacement coefficient method to determine displacement demand from nonlinear static analysis results is used for the inverse calculation of overall strength demand required to reduce the displacement demand to a target value meeting the performance objective of the unreinforced masonry building to retrofit. A preliminary seismic evaluation method to screen out vulnerable buildings, of which detailed evaluation is necessary, is utilized to calculate overall strength demand without structural analysis based on the difference between the seismic demand and capacity. A system modification factor is introduced to the preliminary seismic evaluation method to reduce the strength demand considering inelastic deformation. The overall strength demand is distributed to the structural walls to retrofit based on the wall stiffness, including the remaining walls or otherwise. Four detached residential houses are modeled and analyzed using the nonlinear static and preliminary evaluation procedures to examine the proposed method.
In this paper, a Taguchi-based finite element method (FEM) has been proposed and implemented to assess optimal design parameters for minimum static deflection in laminated composite plate. An orthodox mathematical model (based on higher-order shear deformation plate theory and Green-Lagrange geometrical nonlinearity) has been used to compute the nonlinear central deflection values of laminated composite plates according to Taguchi design of experiment via a self-developed MATLAB computer code. The lay-up scheme, aspect ratio, thickness ratio and the support conditions of the laminated composite plate structure were designated as the governable design parameters. Analysis of variance (ANOVA) is used to investigate the effect of diverse control factors on the nonlinear static responses. Moreover, regression model is developed for predicting the desired responses. The ANOVA revealed that the lay-up scheme alongside the support condition plays vital role in minimizing the central deflection values of laminated composite plate under uniformly distributed load. The conformity test results of Taguchi analysis are also in good agreement with the numerical experimentation results.
A multi-leg spread mooring system for floating offshore structures is important, but the multi-leg static analysis is complicated due to the nonlinear behavior of each line and the effect of current which affects each line differently. The pretensioned position of the multi-leg mooring system obtained from the static equilibrium condition changes into a different position due to external loads and current. In this paper, the new position and the static tension at each line are caculated. The relation between the initial static equilibrium position and the new position due to the external loads is expressed in terms of the Taylor's series expansion. The Runge-Kutta $4^{th}$ method is employed in analyzing the 3-dimensional static cable nonlinear equations.
This paper investigates inelastic seismic demands of the normal component of near-fault pulse-like ground motions, which differ considerably from those of far-fault ground motions and also parallel component of near-fault ones. The results are utilized to improve the nonlinear static procedure (NSP) called Displacement Coefficient Method (DCM). 96 near-fault and 20 far-fault ground motions and the responses of various single degree of freedom (SDOF) systems constitute the dataset. Nonlinear Dynamic Analysis (NDA) is utilized as the benchmark for comparison with nonlinear static analysis results. Considerable influences of different faulting mechanisms are observed on inelastic seismic demands. The demands are functions of the strength ratio and also the pulse period to structural period ratio. Simple mathematical expressions are developed to consider the effects of near-fault motion and fault type on nonlinear responses. Modifications are presented for the DCM by introducing a near-fault modification factor, $C_N$. In locations, where the fault type is known, the modifications proposed in this paper help to obtain a more precise estimate of seismic demands in structures.
Smith-Pardo, J. Paul.;Reyes, Juan C.;Sandoval, Juan D.;Hassan, Wael M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.1
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pp.95-104
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2019
The Standard ASCE 61-14 proposes the Substitute Structure Method (SSM) as a Nonlinear Static Procedure (NSP) to estimate nonlinear displacement demands at the center of mass of piers or wharves under seismic actions. To account for bidirectional earthquake excitation according to the Standard, results from independent pushover analyses in each orthogonal direction should be combined using either a 100/30 directional approach or a procedure referred to as the Dynamic Magnification Factor, DMF. The main purpose of this paper is to present an evaluation of these NSPs in relation to four wharf model structures on soil conditions ranging from soft to medium dense clay. Results from nonlinear static analyses were compared against benchmark values of relevant Engineering Design Parameters, EDPs. The latter are defined as the geometric mean demands that are obtained from nonlinear dynamic analyses using a set of 30 two-component ground motion records. It was found that SSM provides close estimates of the benchmark displacement demands at the center of mass of the wharf structures. Furthermore, for the most critical pile connection at a landside corner of the wharf the 100/30 and DMF approaches produced displacement, curvature, and force demands that were reasonably comparable to corresponding benchmark values.
Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datt, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.4
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pp.399-415
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2020
Responses of semi-rigid frames having different degrees of semi-rigidity obtained by the nonlinear static analysis (NSA) are evaluated at specific target displacements by comparing them with those obtained by the nonlinear time-history analysis (NTHA) for scaled earthquakes. The peak ground accelerations (PGA) of the earthquakes are scaled such that the obtained peak top story displacements match with the target displacements. Three different types of earthquakes are considered, namely, far-field and near-field earthquakes with directivity and fling-step effects. In order to make the study a comprehensive one, three degrees of semi-rigidity (one fully rigid and the other two semi-rigid), and two frames having different heights are considered. An ensemble of five-time histories of ground motion is included in each type of earthquake. A large number of responses are considered in the study. They include the peak top-story displacement, maximum inter-story drift ratio, peak base shear, total number of plastic hinges, and square root of sum of the squares (SRSS) of the maximum plastic hinge rotations. Results of the study indicate that the nonlinear static analysis provides a fairly good estimate of the peak values of top-story displacements, inter-story drift ratio (for shorter frame), peak base shear and number of plastic hinges; however, the SRSS of maximum plastic hinge rotations in semi-rigid frames are considerably more in the nonlinear static analysis as compared to the nonlinear time history analysis.
This paper developed and examined a novel passive vibration isolator (i.e., "X-inerter") motivated by combining a bio-inspired structure and a rack-pinion inerter. The bio-inspired structure provided nonlinear stiffness and damping owing to its geometric nonlinearity. In addition, the behavior was further enhanced by a gear inerter that produced a special nonlinear inertia effect; thus, an X-inerter was developed. As a result, the X-inerter can achieve both high-static-low-dynamic stiffness (HSLDS) and quasi-zero stiffness (QZS), obtaining ultra-low frequency isolation. Furthermore, the installed inerter can produce a coupled nonlinear inertia and damping effect, leading to an anti-resonance frequency near the resonance, wide isolation region, and low resonance peak. Both static and dynamic analyses of the proposed isolator were conducted and the structural parameters' influence was comprehensively investigated. The X-inerter was proven to be comparatively more stable in the ultra-low frequency than the benchmarking QZS isolator due to the nonlinear damping and inertia properties. Moreover, the inertia effect could suppress the bio-inspired structure's super- and sub-harmonic resonance. Therefore, the X-inerter isolator generally possesses desirable nonlinear stiffness, nonlinear damping, and unique nonlinear inertia, designed to achieve the ultra-low natural frequency, the anti-resonance property, and a wide isolation region with a low resonance peak.
The kinematical approach of limit analysis is used to estimate the three dimensional stability analysis of rock slopes with nonlinear Hoek-Brown criterion under earthquake forces. The generalized tangential technique is introduced, which makes limit analysis apply to rock slope problem possible. This technique formulates the three dimensional stability problem as a classical nonlinear programming problem. A nonlinear programming algorithm is coded to search for the least upper bound solution. To prove the validity of the present approach, static stability factors are compared with the previous solutions, using a linear failure criterion. Three dimensional seismic and static stability factors are calculated for rock slopes. Numerical results of indicate that the factors increase with the ratio of slope width and height, and are presented for practical use in rock engineering.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.8
s.239
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pp.1061-1069
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2005
In part I of this papter Nonlinear Response Optimization using Equivalent Static Loads (NROESL) method/algorithm is developed to conduct optimization for nonlinear behavior structures. The method/algorithm is also verified to show its convergency and optimality. In this present paper, the NROESL algorithm is applied to several structural problems with geometric and/or material nonlinearity. Conventional optimization with sensitivity analysis using the finite difference method is also applied to the same examples. The results of the optimizations are compared. The proposed method is very efficient and derives good solutions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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