Ganjavi, Behnoud;Bararnia, Majid;Hajirasouliha, Iman
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.2
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pp.159-170
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2018
This paper aims to develop response modification factors for stiffness degrading structures by incorporating soil-structure interaction effects. A comprehensive parametric study is conducted to investigate the effects of key SSI parameters, natural period of vibration, ductility demand and hysteretic behavior on the response modification factor of soil-structure systems. The nonlinear dynamic response of 6300 soil-structure systems are studied under two ensembles of accelograms including 20 recorded and 7 synthetic ground motions. It is concluded that neglecting the stiffness degradation of structures can results in up to 22% underestimation of inelastic strength demands in soil-structure systems, leading to an unexpected high level of ductility demand in the structures located on soft soil. Nonlinear regression analyses are then performed to derive a simplified expression for estimating ductility-dependent response modification factors for stiffness degrading soil-structure systems. The adequacy of the proposed expression is investigated through sensitivity analyses on nonlinear soil-structure systems under seven synthetic spectrum compatible earthquake ground motions. A good agreement is observed between the results of the predicted and the target ductility demands, demonstrating the adequacy of the expression proposed in this study to estimate the inelastic demands of SSI systems with stiffness degrading structures. It is observed that the maximum differences between the target and average target ductility demands was 15%, which is considered acceptable for practical design purposes.
Current seismic codes require from the seismically designed structures to be capable to withstand inelastic deformation. Many studies dealt with the development of different inelastic spectra with the aim to simplify the evaluation of inelastic deformation and performance of structures. Recently, the concept of inelastic spectra has been adopted in the global scheme of the performance-based seismic design through capacity-spectrum methods. In this paper, the median of the ductility demand ratio for 80 ground motions are presented for different levels of normalized yield strength, defined as the yield strength coefficient divided by the peak ground acceleration (PGA). The influence of the post-to-preyield stiffness ratio on the ductility demand is investigated. For fixed levels of normalized yield strength, the median ductility versus period plots demonstrated that they are independent of the earthquake magnitude and epicentral distance. Determined by regression analysis of the data, two design equations have been developed; one for the ductility demand as function of period, post-to-preyield stiffness ratio, and normalized yield strength, and the other for the inelastic deformation as function of period and peak ground acceleration valid for periods longer than 0.6 seconds. The equations are useful in estimating the ductility and inelastic deformation demands for structures in the preliminary design. It was found that the post-to-preyield stiffness has a negligible effect on the ductility factor if the yield strength coefficient is greater than the PGA of the design ground motion normalized by gravity.
Liu, Zuqiang;Zhou, Chaofeng;Xue, Jianyang;Leon, Roberto T.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.3
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pp.339-353
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2020
This study investigates the seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) T-shaped columns under low cyclic loading tests. Based on test results of ten half-scale column specimens, failure patterns, hysteretic behavior, skeleton curves, ultimate strength, ductility, stiffness degradation and energy dissipation capacity were analyzed. The main variables included loading angles, axial compression ratios and steel ratios. The test results show that the average values of the ductility factor and the equivalent viscous damping coefficient with respect to the failure of the columns were 5.23 and 0.373, respectively, reflecting good seismic performance. The ductility decreased and the initial stiffness increased as the axial compression ratio of the columns increased. The strength increased with increasing steel ratio, as expected. The columns displaced along the web had higher strength and initial stiffness, while the columns displaced along the flange had better ductility and energy dissipation capacity. Based on the test and analysis results, a formula is proposed to calculate the effective stiffness of SRC T-shaped columns.
The frame structures investigated in this paper is composed of Concrete encased columns with L-shaped steel section and steel beams. The seismic behavior of this structural system is studied through experimental and numerical studies. A 2-bay, 3-story and 1/3 scaled frame specimen is tested under constant axial loading and cyclic lateral loading applied on the column top. The load-displacement hysteretic loops, ductility, energy dissipation, stiffness and strength degradation are investigated. A typical failure mode is observed in the test, and the experimental results show that this type of framed structure exhibit a high strength with good ductility and energy dissipation capacity. Furthermore, finite element analysis software Perform-3D was conducted to simulate the behavior of the frame. The calculating results agreed with the test ones well. Further analysis is conducted to investigate the effects of parameters including concrete strength, column axial compressive force and steel ratio on the seismic performance indexes, such as the elastic stiffness, the maximum strength, the ductility coefficient, the strength and stiffness degradation, and the equivalent viscous damping ratio. It can be concluded that with the axial compression ratio increasing, the load carrying capacity and ductility decreased. The load carrying capacity and ductility increased when increasing the steel ratio. Increasing the concrete grade can improve the ultimate bearing capacity of the structure, but the ductility of structure decreases slightly.
In this study, strength reduction factors and inelastic displacement ratios are investigated for SDOF systems with period range of 0.1-3.0 s considering soil structure interaction for earthquake motions recorded on soft soil. The effect of stiffness degradation on strength reduction factors and inelastic displacement ratios is investigated. The modified-Clough model is used to represent structures that exhibit significant stiffness degradation when subjected to reverse cyclic loading and the elastoplastic model is used to represent non-degrading structures. The effect of negative strain - hardening on the inelastic displacement and strength of structures is also investigated. Soil structure interacting systems are modeled and analyzed with effective period, effective damping and effective ductility values differing from fixed-base case. For inelastic time history analyses, Newmark method for step by step time integration was adapted in an in-house computer program. New equations are proposed for strength reduction factor and inelastic displacement ratio of interacting system as a function of structural period($\tilde{T}$, T) ductility (${\mu}$) and period lengthening ratio ($\tilde{T}$/T).
This paper presents the results of an experimental investigation on the flexural behavior of doubly reinforced lightweight concrete (R.L.C.) beams tested under cyclic loading. A total of 20 beam specimens were tested. Test results are presented in terms of ductility index, the degradation of strength and stiffness, and energy dissipation. The flexural properties of R.L.C. beam were compared to those of normal concrete (R.C.) beams. Test results show that R.L.C. beam with low and medium concrete strength (20, 40MPa) performed displacement ductility similar to the R.C. beam. The ductility can be improved by enhancing the concrete strength or decreasing the tension reinforcement ratio. Using lightweight aggregate in concrete is advantageous to the dynamic stiffness of R.L.C. beam. Enhancement of concrete strength and increase of reinforcement ratio will lead to increase of the stiffness degradation of beam. The energy dissipation of R.L.C beam, similar to R.C. beam, increase with the increase of tension reinforcement ratio. The energy dissipation of unit load cycle for smaller tension reinforcement ratio is relatively less than that of beam with higher reinforcement ratio.
The strength reduction factor spectrum is traditionally obtained from a single-degree-of-freedom (SDOF) system with a constant damping coefficient. However, according to the principle of Rayleigh damping, the damping coefficient matrix of a system changes with the stiffness matrix, and the damping coefficient of an equivalent SDOF system changes with the tangent stiffness coefficient. In view of that, this study proposes an equivalent SDOF system with an adaptive damping coefficient and derives a standardized reaction balance equation. By iteratively adjusting the strength reduction factor, the corresponding spectrum with an equivalent ductility factor is obtained. In addition, the ratio between the strength reduction factor that considers adaptive damping and the traditional strength reduction factor, denoted by η, is determined, and the η-μ-T relationship is obtained. Seismic records of Classes C, D, and E sites are selected as excitations. Moreover, a nonlinear response time-history analysis is performed to establish the relationship between the η and T values for the equivalent ductility factor μ. Further, by exploring the effects of the site class, ductility factor, second-order stiffness coefficient, and period T on the mean value of η, a simplified calculation equation of mean η is derived, and η is used as a modified value for the traditional strength reduction factor R spectrum.
In this paper, a numerical simulation study was conducted on the seismic behavior and ductility demand of single-degree-of-freedom (SDOF) systems with partially self-centering hysteresis. Unlike fully self-centering systems, partially self-centering systems display noticeable residual displacement after unloading is completed. Such partially self-centering behavior has been observed in a number of recently researched self-centering structural systems with energy dissipation devices. It is thus of interest to examine the seismic performance such as ductility demand of partially self-centering systems. In this study, a modified flag-shaped hysteresis model with residual displacement is proposed to represent the hysteretic behavior of partially self-centering structural systems. A parametric study considering the effect of variations in post-yield stiffness ratio, energy dissipation coefficient, and residual displacement ratio on the displacement ductility demand of partially self-centering systems was conducted using a suite of 192 scaled ground motions. The results of this parametric study reveal that increasing the post-yield stiffness, energy dissipation coefficient or residual displacement ratio of the partially self-centering systems generally leads to reduced ductility demand, especially for systems with lower yield strength.
This study addresses the effect of pre-stressed cables on a pre-stressed mega-braced steel frame through employing static analysis and pushover analysis. The performances of a pre-stressed mega-braced steel frame and a pure steel frame without mega-braces are compared in terms of base shear, ductility, and failure mode. The influence of the cable parameters is also analyzed. Numerical results show that cable braces can effectively improve the lateral stiffness of a pure frame. However, it reduces structural ductility and degenerates structural pre-failure lateral stiffness greatly. Furthermore, it is found that 20% fluctuation in the cable pretension has little effect on structural ultimate bearing capacity and lateral stiffness. As comparison, 20% fluctuation in the cable diameter has much greater impact.
This paper presents some quasi-static tests for 4 mixed columns composed of CFST column and RC column. The seismic performance and failure mode were studied under low-cyclic revised loading. The failure mode was observed under different axial compression ratios. The hysteretic curve and skeleton curve were obtained. The effects of axial compression ratio on yield mechanism, displacement ductility, energy dissipation, stiffness and strength attenuation were analyzed. The results indicate that the failure behavior of CFST-RC mixed column with archaized style is mainly caused by bending failure and accompanied by some shear failure. The axial compression ratio performs a control function on the yielding order of the upper and lower columns. The yielding mechanism has a great influence on the ductility and energy dissipation capacity of specimens. Based on the experiment, finite element analysis was made to further research the seismic performance by ABAQUS software. The variable parameters were stiffness ratio of upper and lower columns, axial compression ratio, yielding strength of steel tube, concrete strength and rebar ratio. The simulation results show that with the increase of stiffness ratio of the upper and lower columns, the bearing capacity and ductility of specimens can correspondingly increase. As the axial compression ratio increases, the ductility of the specimen decreases gradually. The other three parameters both have positive effect on the bearing capacity but have negative effect on the ductility. The results can provide reference for the design and engineering application of mixed column consisted of CFST-RC in Chinese archaized buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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