Previous earthquakes show that, structural safety evaluations should include the evaluation of nonstructural components. Failure of nonstructural components can affect the operational capacity of critical facilities, such as hospitals and fire stations, which can cause an increase in number of deaths. Additionally, failure of nonstructural components may result in economic, architectural, and historical losses of community. Accelerations and random vibrations must be under the predefined limitations in structures with high technological equipment, data centers in this case. Failure of server equipment and anchored server racks are investigated in this study. A probabilistic study is completed for a low-rise rigid sample structure. The structure is investigated in two versions, (i) conventional fixed-based structure and (ii) with a base isolation system. Seismic hazard assessment is completed for the selected site. Monte Carlo simulations are generated with selected parameters. Uncertainties in both structural parameters and mechanical properties of isolation system are included in simulations. Anchorage failure and vibration failures are investigated. Different methods to generate fragility curves are used. The site-specific annual hazard curve is used to generate risk curves for two different structures. A risk matrix is proposed for the design of data centers. Results show that base isolation systems reduce the failure probability significantly in higher floors. It was also understood that, base isolation systems are highly sensitive to earthquake characteristics rather than variability in structural and mechanical properties, in terms of accelerations. Another outcome is that code-provided anchorage failure limitations are more vulnerable than the random vibration failure limitations of server equipment.
Under a severe environment of multiple hazards such as earthquakes and winds, the life-cycle performance of engineering structures may inevitably be deteriorated due to the fatigue effect caused by long-term exposure to wind loads, which would further increase the structural vulnerability to earthquakes. This paper presents a framework for evaluating the lifetime structural seismic performance under the effect of wind-induced fatigue considering different sources of uncertainties. The seismic behavior of a high-rise steel-concrete composite frame with buckling-restrained braces (FBRB) during its service life is systematically investigated using the proposed approach. Recorded field data for the wind hazard of Fuzhou, Fujian Province of China from Jan. 1, 1980 to Mar. 31, 2019 is collected, based on which the distribution of wind velocity is constructed by the Gumbel model after comparisons. The OpenSees platform is employed to establish the numerical model of the FBRB and conduct subsequent numerical computations. Allowed for the uncertainties caused by the wind generation and structural modeling, the final annual fatigue damage takes the average of 50 groups of simulations. The lifetime structural performance assessments, including static pushover analyses, nonlinear dynamic time history analyses and fragility analyses, are conducted on the time-dependent finite element (FE) models which are modified in lines with the material deterioration models. The results indicate that the structural performance tends to degrade over time under the effect of fatigue, while the influencing degree of fatigue varies with the duration time of fatigue process and seismic intensity. The impact of wind-induced fatigue on structural responses and fragilities are explicitly quantified and discussed in details.
Saeid Sinaei;Esmaeel Izadi Zaman Abadi;Seyed Jalil Hoseini
Structural Engineering and Mechanics
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v.87
no.4
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pp.317-332
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2023
Understanding and analysing the behaviour and response of historical structures in the face of climate changes and environmental conditions is of utmost significance for their preservation. There are several structural hazards associated with climate and hydrology changes in the region, including the settlement of piers, the rotation of piers, and temperature changes. The present study investigates the experimental and numerical structural behaviour of skewed and non-skewed Persian brick masonry barrel vaults under various conditions. The external loading conditions included pier rotation in five modes, settlement, and temperature variations in four states. Initially, the experiments extracted the mechanical properties of the scaled materials. Then, three semi-circular brick barrel vaults were tested with gravitational loads. The outcomes were used to develop and validate the finite element model. Following the development of the finite element model, numerical and parametric studies were conducted on the effect of the aforementioned structural hazards on the response of brick masonry barrel vaults with various Persian geometries (semi-circular, drop pointed, and four-centred), angles of skew (0, 15, 30, and 45 degrees), and dimensional ratios. According to the findings, the fragility of masonry materials makes historical structures susceptible to failure under different loading. A brick barrel vault fails in the presence of minor rotation and settlement of the piers. The four-centred geometric shape has the lowest performance among the seven Persian geometries; therefore, its health monitoring and retrofitting should be prioritised. In Isfahan, Iran, temperature variations, particularly during the warm seasons, cause critical conditions in such structures.
One of the next frontiers in structural wind engineering is the design of tall buildings using performance-based approaches. Currently, tall buildings are being designed using provisions in the building codes and standards to meet an acceptable level of public safety and serviceability. However, recent studies in wind and earthquake engineering have highlighted the conceptual and practical limitations of the code-oriented design methods. Performance-based wind design (PBWD) is the logical extension of the current wind design approaches to overcome these limitations. Towards the development of PBWD, in this paper, we systematically review the advances made in this field, highlight the research gaps, and provide a basis for future research. Initially, the anatomy of the Wind Loading Chain is presented, in which emphasis was given to the early works of Alan G. Davenport. Next, the current state of practice to design tall buildings for wind load is presented, and its limitations are highlighted. Following this, we critically review the state of development of PBWD. Our review on PBWD covers the existing design frameworks and studies conducted on the nonlinear response of structures under wind loads. Thereafter, to provide a basis for future research, the nonlinear response of simple yielding systems under long-duration turbulent wind loads is studied in two phases. The first phase investigates the issue of damage accumulation in conventional structural systems characterized by elastic-plastic, bilinear, pinching, degrading, and deteriorating hysteretic models. The second phase introduces methods to develop new performance objectives for PBWD based on joint peak and residual deformation demands. In this context, the utility of multi-variate demand modeling using copulas and kernel density estimation techniques is presented. This paper also presents joined fragility curves based on the results of incremental dynamic analysis. Subsequently, the efficiency of tuned mass dampers and self-centering systems in controlling the accumulation of damage in wind-excited structural systems are investigated. The role and the need for explicit modeling of uncertainties in PBWD are also discussed with a case study example. Lastly, two unified PBWD frameworks are proposed by adapting and revisiting the Wind Loading Chain. This paper concludes with a summary and a proposal for future research.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.129-137
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2020
In performing the structural analysis, the foundation is considered to be a fixed end as a plastic hinge model. In this study, the displacements of the foundation, pier, and shoe were compared when the foundation modeled as a fixed end, a shallow foundation constructed on bedrock of 2m depth, and a pile foundation constructed in the 10m to 20m depth of bedrock. The shear force was also compared, and the probability of damage was calculated and compared for the critical condition. When calculated as a fixed end, the displacement of the foundation converged to 0mm, but the shallow foundation built on the bedrock with a depth of 2m caused relatively displacement, and the pile foundation constructed to contact the bedrock with a depth of 18m caused a larger displacement. In addition, it was analyzed that the displacement of the foundation, which is the lower structure, affects the displacement of the super structure, but the difference in shear force applied to the foundation was insignificant in the three cases. There was no difference between the shallow foundation and the pile foundation in the influence on the displacement of the top of the pier, but there was a big difference from the analysis assuming as a fixed end.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.3
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pp.1-10
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2010
The target performance of a current seismic design code is to achieve collapse-prevention in order to minimize casualties. Existing structures are also being retrofitted to meet this target performance. This seismic performance seems to have been achieved in recent great overseas earthquakes, but the accompanying enormous economic loss is pointed out as a new problem. A new seismic design concept over the current target performance is required to reduce economic loss, in which a target performance is determined by the damage probability in order to control the damage levels of structures. In this study, the seismic behavior of bridges having different characteristics was investigated by nonlinear seismic analyses, and fragility curves with respect to a reference damage level were derived. Based on these results, the characteristics of target ductilities satisfying a target damage probability were investigated.
Reinforced concrete (RC) moment frames supported on two ground levels have been widely constructed in mountainous areas with medium to high seismicity in China. In order to investigate the seismic collapse behavior and risk, a scaled frame model was tested under constant axial load and reversed cyclic lateral load. Test results show that the failure can be induced by the development of story yielding at the first story above the upper ground. The strong column and weak beam mechanism can be well realized at stories below the upper ground. Numerical analysis model was developed and calibrated with the test results. Three pairs of six case study buildings considering various structural configurations were designed and analyzed, showing similar dynamic characteristics between frames on two ground levels and flat ground of each pair. Incremental dynamic analyses (IDA) were then conducted to obtain the seismic collapse fragility curves and collapse margin ratios of nine analysis cases designated based on the case study buildings, considering amplification of earthquake effect and strengthening measures. Analysis results indicate that the seismic collapse safety is mainly determined by the stories above the upper ground. The most probable collapse mechanism may be induced by the story yielding of the bottom story on the upper ground level. The use of tie beam and column strengthening can effectively enhance the seismic collapse safety of frames on two ground levels.
Duenas-Osorio, Leonardo;Park, Joonam;Towashiraporn, Peeranan;Goodno, Barry J.;Frost, David;Craig, James I.;Bostrom, Ann
Structural Engineering and Mechanics
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v.17
no.3_4
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pp.527-537
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2004
Consequence-Based Engineering (CBE) is a new paradigm proposed by the Mid-America Earthquake Center (MAE) to guide evaluation and rehabilitation of building structures and networks in areas of low probability - high consequence earthquakes such as the central region of the U.S. The principal objective of CBE is to minimize consequences by prescribing appropriate intervention procedures for a broad range of structures and systems, in consultation with key decision makers. One possible intervention option for rehabilitating unreinforced masonry (URM) buildings, widely used for essential facilities in Mid-America, is passive energy dissipation (PED). After the CBE process is described, its application in the rehabilitation of vulnerable URM building construction in Mid-America is illustrated through the use of PED devices attached to flexible timber floor diaphragms. It is shown that PED's can be applied to URM buildings in situations where floor diaphragm flexibility can be controlled to reduce both out-of-plane and in-plane wall responses and damage. Reductions as high as 48% in roof displacement and acceleration can be achieved as demonstrated in studies reported below.
Karami-Mohammadi, Reza;Mirtaheri, Masoud;Salkhordeh, Mojtaba;Mosaffa, Erfan;Mahdavi, Golsa;Hariri-Ardebili, Mohammad Amin
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.6
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pp.785-796
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2019
Power transmission substations are susceptible to potential damage under seismic excitations. Two of the major seismic failure modes in substation supplies are: the breakage of brittle insulator, and conductor end fittings. This paper presents efficient isolation strategies for seismically strengthening of a two-item set of equipment including capacitive voltage transformer (CVT) adjacent to a Lightning Arrester (LA). Two different strategies are proposed, Case A: implementation of base isolation at the base of the CVT, while the LA is kept fixed-base, and Case B: implementation of base isolation at the base of the LA, while the CVT is kept fixed-base. Both CVT and LA are connected to each other using a cable during the dynamic excitation. The probabilistic seismic behavior is measured by Incremental Dynamic Analysis (IDA), and a series of appropriate damage states are proposed. Finally, the fragility curves are derived for both the systems. It is found that Friction Pendulum System (FPS) isolator has the potential of decreasing flexural stresses caused by intense ground motions. The research has shown that when the FPS is placed under LA, i.e. Case B (as oppose to Case A), the efficiency of the system is improved in terms of reducing the forces and stresses at the bottom of the porcelain. Several parametric studies are also performed to determine the optimum physical properties of the FPS.
Ground motion records are commonly used for fragility curves (FCs) developing utilized in seismic loss estimating analysis for earthquake prone zones. These records could be 'real', say the recorded acceleration time series or 'simulated' records consistent with the regional seismicity and produced by use of alternative simulation methods. This study has focused on fragility curves developing for masonry buildings through computational 'simulated' ground motion records while evaluating the properness of these fragilities compared to the curves generated by the use of 'real' records. Assessing the dynamic responses of structures, nonlinear computational time history analyses through the equivalent single degree of freedom systems have been implemented on OpenSees platform. Accordingly, computational structural analyses of multi-story 3D frame structures with different stiffening members considering soil interaction have been carried out with finite element software according to (1992) Earthquake East-West component. The obtained results have been compared to each frame regarding soil interaction. Conclusion and recommendations with the discuss of obtaining findings are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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