Nonlinear dynamic analyses are carried out to investigate the influence of the pinching hysteretic response of the exterior RC beam-column joints on the seismic behavior of multistory RC frame structures. The effect of the pinching on the local and global mechanisms of an 8-storey bare frame and an 8-storey pilotis type frame structure is evaluated. Further, an experimental data bank extracted from literature is used to acquire experimental experience of the range of the real levels that have to be considered for the pinching effect on the hysteretic response of the joints. Thus, three different cases for the hysteretic response of the joints are considered: (a) joints with strength and stiffness degradation characteristics but without pinching effect, (b) joints with strength degradation, stiffness degradation and low pinching effect and (c) joints with strength degradation, stiffness degradation and high pinching effect. For the simulation of the beam-column joints a special-purpose rotational spring element that incorporates the examined hysteretic options developed by the authors and implemented in a well-known nonlinear dynamic analysis program is employed for the analysis of the structural systems. The results of this study indicate that the effect of pinching on the local and global responses of the examined cases is not really significant at early stages of the seismic loading and especially in the cases when strength degradation in the core of exterior joint has occurred. Nevertheless in the cases when strength degradation does not occur in the joints the pinching may increase the demands for ductility and become critical for the columns at the base floor of the frame structures. Finally, as it was expected the ability for energy absorption was reduced due to pinching effect.
Hamish Tomlinson;Geoffrey W. Rodgers;Chao Xu;Virginie Avot;Cong Zhou;J. Geoffrey Chase
Smart Structures and Systems
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v.31
no.2
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pp.101-111
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2023
Structural health monitoring (SHM) covers a range of damage detection strategies for buildings. In real-time, SHM provides a basis for rapid decision making to optimise the speed and economic efficiency of post-event response. Previous work introduced an SHM method based on identifying structural nonlinear hysteretic parameters and their evolution from structural force-deformation hysteresis loops in real-time. This research extends and generalises this method to investigate the impact of a wide range of flag-shaped or pinching shape nonlinear hysteretic response and its impact on the SHM accuracy. A particular focus is plastic stiffness (Kp), where accurate identification of this parameter enables accurate identification of net and total plastic deformation and plastic energy dissipated, all of which are directly related to damage and infrequently assessed in SHM. A sensitivity study using a realistic seismic case study with known ground truth values investigates the impact of hysteresis loop shape, as well as added noise, on SHM accuracy using a suite of 20 ground motions from the PEER database. Monte Carlo analysis over 22,000 simulations with different hysteresis loops and added noise resulted in absolute percentage identification error (median, (IQR)) in Kp of 1.88% (0.79, 4.94)%. Errors were larger where five events (Earthquakes #1, 6, 9, 14) have very large errors over 100% for resulted Kp as an almost entirely linear response yielded only negligible plastic response, increasing identification error. The sensitivity analysis shows accuracy is reduces to within 3% when plastic drift is induced. This method shows clear potential to provide accurate, real-time metrics of non-linear stiffness and deformation to assist rapid damage assessment and decision making, utilising algorithms significantly simpler than previous non-linear structural model-based parameter identification SHM methods.
Rabiepour, Mohammad;Zhou, Cong;Chase, James G.;Rodgers, Geoffrey W.;Xu, Chao
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.2
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pp.245-258
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2022
Many Structural Health Monitoring (SHM) methods have been proposed for structural damage diagnosis and prognosis. However, SHM for pinched hysteretic structures can be problematic due to the high level of nonlinearity. The model-free hysteresis loop analysis (HLA) has displayed notable robustness and accuracy in identifying damage for full-scaled and scaled test buildings. In this paper, the performance of HLA is compared with seven other SHM methods in identifying lateral elastic stiffness for a six-story numerical building with highly nonlinear pinching behavior. Two successive earthquakes are employed to compare the accuracy and consistency of methods within and between events. Robustness is assessed across sampling rates 50-1000 Hz in noise-free condition and then assessed with 10% root mean square (RMS) noise added to responses at 250 Hz sampling rate. Results confirm HLA is the most robust method to sampling rate and noise. HLA preserves high accuracy even when the sampling rate drops to 50 Hz, where the performance of other methods deteriorates considerably. In noisy conditions, the maximum absolute estimation error is less than 4% for HLA. The overall results show HLA has high robustness and accuracy for an extremely nonlinear, but realistic case compared to a range of leading and recent model-based and model-free methods.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.3
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pp.81-89
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2020
As the damage caused by earthquakes gradually increases, seismic retrofitting for existing public facilities has been implemented in Korea. Several types of structural analysis methods can be used to evaluate the seismic performance of structures. Among them, for nonlinear dynamic analysis, the hysteresis model must be carefully applied because it can significantly affect the behavior. In order to find a hysteresis model that predicts rational behavior, this study compared the experimental results and analysis results of the existing non-seismic reinforced concrete frames. For energy dissipation, the results were close to the experimental values in the order of Pivot, Concrete, Degrading, and Takeda models. The Concrete model underestimated the energy dissipation due to excessive pinching. In contrast, the other ones except the Pivot model showed the opposite results with relatively little pinching. In the load-displacement curves, the experimental and analysis results tended to be more similar when the column axial force was applied to columns.
Nonlinear dynamic analysis of a reinforced concrete (RC) frame under earthquake loading is performed in this paper on the basis of a hysteretic moment-curvature relation. Unlike previous analytical moment-curvature relations which take into account the flexural deformation only with the perfect-bond assumption, by introducing an equivalent flexural stiffness, the proposed relation considers the rigid-body-motion due to anchorage slip at the fixed end, which accounts for more than 50% of the total deformation. The advantage of the proposed relation, compared with both the layered section approach and the multi-component model, may be the ease of its application to a complex structure composed of many elements and on the reduction in calculation time and memory space. Describing the structural response more exactly becomes possible through the use of curved unloading and reloading branches inferred from the stress-strain relation of steel and consideration of the pinching effect caused by axial force. Finally, the applicability of the proposed model to the nonlinear dynamic analysis of RC structures is established through correlation studies between analytical and experimental results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.2
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pp.245-256
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2000
A moment-curvature relationship to simulate the behavior of reinforced concrete beam under cyclic loading is introduced. Unlike previous moment-curvature models and the layered section approach, the proposed model takes into consideration the bond-slip effect by using monotonic moment-curvature relationship constructed on the basis of the bond-slip relation and corresponding equilibrium equation at each nodal point. In addition, the use of curved unloading and reloading branches inferred from the stress-strain relation of steel gives more exact numerical result. The advantages of the proposed model, comparing to layered section approach, may be on the reduction in calculation time and memory space in case of its application to large structures. The modification of the moment-curvature relation to reflect the fixed-end rotation and pinching effect is also introduced. Finally, correlation studies between analytical results and experimental studies are conducted to establish the validity of the proposed model.
Koh, Hyeyoung;Han, Sang Whan;Heo, Chang Dae;Lee, Chang Seok
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.6
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pp.303-310
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2017
The coupled shear wall system with coupling beams is an efficient structural system for high-rise buildings because it can provide excellent ductility and energy dissipation to the buildings. The objective of this study is to simulate the hysteretic behavior of diagonally reinforced concrete coupling beams including pinching and cyclic deteriorations in strength and stiffness using a numerical model. For this purpose, coupling beams are modeled with an elastic beam element and plastic spring element placed at the beam ends. Parameters for the analytical model was calibrated based on the test results of 6 specimens for diagonally reinforced concrete coupling beams. The analytical model with calibrated model parameters is verified by comparing the hysteretic curves obtained from analysis and experimental tests.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.10
no.4
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pp.435-450
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2016
Experimental studies were conducted on 36 grouted splices to investigate their mechanical performance under four loading schemes: (1) incremental tensile loading, (2) repeated tensile loading, (3) cyclic loading at high stress, and (4) cyclic loading at large strain. Load-deformation responses of the grouted splices under cyclic loadings were featured with pinching effect and stiffness degradation compared to those responses under tensile loadings. The shape of the hysteresis loops of load-deformation curves was similar to that under incremental tensile loading. For the purpose of structural analysis, stress-strain relationships were presented for grouted splices under various loadings.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.4
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pp.353-367
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2003
This paper describes the extension of the numerical model, which was developed to simulate the nonlinear behavior of reinforced concrete (RC) structures subjected to monotonic in plane shear and introduced in the companion paper, to simulate effectively the behavior of RE structures under cyclic loadings. While maintaining all the basic assumptions adopted in defining the constitutive relations of concrete under monotonic loadings, a hysteretic stress strain relation of concrete, which across the tension compression region, is defined. In addition, unlike previous simplified stress strain relations, curved unloading and reloading branches inferred from the stress strain relation of steel considering the Bauschinger effect we used. The modifications of the stress strain relation of steel are also introduced to reflect pinching effect depending on the shear span ratio and an average stress distribution in a cracked RC element. Finally, correlation studies between analytical results and experimental studies are conducted to establish the validity of the proposed model.
Evaluation on the sidesway seismic collapse capacity of the widely used low- and medium-height structures is meaningful. These structures with such type of collapse are recognized that behave as inelastic deteriorating single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To incorporate the deteriorating effects, the hysteretic loop of the nonlinear SDOF structural model is represented by a tri-linear force-displacement relationship. The concept of collapse capacity spectra are adopted, where the incremental dynamic analysis is performed to check the collapse point and a normalized ground motion intensity measure corresponding to the collapse point is used to define the collapse capacity. With a large amount of earthquake ground motions, a systematic parameter study, i.e., the influences of various ground motion parameters (site condition, magnitude, distance to rupture, and near-fault effect) as well as various structural parameters (damping, ductility, degrading stiffness, pinching behavior, accumulated damage, unloading stiffness, and P-delta effect) on the structural collapse capacity has been performed. The analytical formulas for the collapse capacity spectra considering above influences have been presented so as to quickly predict the structural collapse capacities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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