Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.4
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pp.457-462
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2011
In this study, a simplified design procedure for friction dampers of a multi-story structure in order to reduce seismic response is proposed. To get insight for control effect of the structure with friction dampers is difficult, because of a nonlinear characteristic by a friction damper. Since a control force of a friction damper is influenced by coupling velocity between floors, adjoining modes are coupled. Thus structural response are derived by assuming steady-state response in resonance. As it is impossible that an exact solution is obtained for seismic load, first, a closed form solution can be achieved under harmonic vibration. Second, to convert a three-story building into a single-degree-of-freedom(SDOF) structure, modal analysis is performed. Third, an equivalent damping ratio is derived with utilizing closed form solution. And response reducing factor is proposed by it. Finally, friction force of a damper is designed for using response reducing factor, and then designed dampers are verified for seven seismic data. The nonlinear analysis results confirm the validity of the proposed procedure.
The application of shape memory alloys (SMAs) to the seismic response reduction of civil engineering structures has attracted growing interest due to their self-centering feature and excellent fatigue performance. The loading rate dependence of SMAs raises a concern in the seismic analysis of SMA-based devices. However, the implementation of micromechanics-based strain-rate-dependent constitutive models in structural analysis software is rather complicated and computationally demanding. This paper investigates the feasibility of replacing complex rate-dependent models with rate-independent constitutive models for superelastic SMA elements in seismic time-history analysis. Three uniaxial constitutive models for superelastic SMAs, including one rate-dependent thermomechanical model and two rate-independent phenomenological models, are considered in this comparative study. The pros and cons of the three nonlinear constitutive models are also discussed. A parametric study of single-degree-of-freedom systems with different initial periods and strength reduction factors is conducted to examine the effect of the three constitutive models on seismic simulations. Additionally, nonlinear time-history analyses of a three-story prototype steel frame building with special SMA-based damping braces are performed. Two suites of seismic records that correspond to frequent and design basis earthquakes are used as base excitations in the seismic analyses of steel-braced frames. The results of this study show that the rate-independent constitutive models, with their parameters properly tuned to dynamic test data, are able to predict the seismic responses of structures with SMA-based seismic response modification devices.
Fakhry, Mina F.;ElSayed, Mostafa M.;Mehanny, Sameh S.F.
Earthquakes and Structures
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v.17
no.5
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pp.477-487
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2019
Understanding the behavior of skew bridges under the action of earthquakes is quite challenging due to the combined transverse and longitudinal responses even under unidirectional hit. The main goal of this research is to assess the response of skew bridges when subjected to longitudinal and transversal earthquake loading. The effect of skew on the response considering two- and three- span bridges with skew angles varying from 0 to 60 degrees is illustrated. Various pier fixities (and hence stiffness) and cross-section shapes, as well as different abutment's bearing articulations, are also studied. Finite-element models are established for modal and seismic analyses. Around 900 models are analyzed under the action of the code design response spectrum. $Vis-{\grave{a}}-vis$ modal properties, the higher the skew angle, the less the fundamental period. In addition, it is found that bridges with skew angles less than 30 degrees can be treated as straight bridges for the purpose of calculating modal mass participation factors. Other monitored results are bearings' reactions at abutments, shear and torsion demand in piers, as well as deck longitudinal displacement. Unlike straight bridges, it has been typically noted that skew bridges experience non-negligible torsion and bi-directional pier base shears. In a complementary effort to assess the accuracy of the conducted response spectrum analysis, a series of time-history analyses are applied under seven actual earthquake records scaled to match the code design response spectrum and critical comparisons are performed.
After an earthquake, a quick seismic assessment of a structure can facilitate the recovery of operations, and consequently, improve structural resilience. Especially for facilities that play a key role in rescue or refuge efforts (e.g., hospitals and power facilities), or even economically important facilities (e.g., high-tech factories and financial centers), immediately resuming operations after disruptions resulting from an earthquake is critical. Therefore, this study proposes a prompt post-earthquake seismic evaluation method that uses displacement and acceleration measurements taken from real structural responses that resulted during an earthquake. With a prepared pre-earthquake capacity curve of a structure, the residual seismic capacity can be estimated using the residual roof drift ratio and stiffness. The proposed method was verified using a 6-story steel frame structure on a shaking table. The structure was damaged during a moderate earthquake, after which it collapsed completely during a severe earthquake. According to the experimental results, a reasonable estimation of the residual seismic capacity of structures can be performed using the proposed post-earthquake seismic evaluation method.
Lim, Hyun-Kyu;Kang, Jun Won;Lee, Young-Geun;Chi, Ho-Seok
Multiscale and Multiphysics Mechanics
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v.1
no.2
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pp.143-156
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2016
Reinforced concrete (RC) structures require advanced analysis techniques for better estimation of their seismic responses, especially in the case of exhibiting complex three-dimensional coupling of torsional and flexural behaviors. This study focuses on validating a numerical approach for evaluating the seismic response of a three-dimensional unsymmetrical RC structure through the participation in the SMART 2013 international benchmark program. The benchmark program provides material properties, detailed drawings of the RC structure, and input ground motions for the seismic response evaluation. In this study, nonlinear constitutive models of concrete and rebar were formed and local tests were conducted to verify the constitutive models in finite element analysis. Elastic calibration of the finite element model of the SMART 2013 RC structure was performed by comparing numerical and experimental results in modal and linear time history analyses. Using the calibrated model, nonlinear earthquake analysis and seismic fragility analysis were performed to estimate the behavior and vulnerability of the RC structure with various ground motions.
Hysteretic energy dissipating devices (HEDDs) have been increasingly applied to building construction to improve the seismic performance. The seismic responses of such damped structures are significantly affected by HEDD's structural properties. An accurate investigation on the propagation of HEDD's structural properties is required for reasonable evaluation of the seismic performance of a structure. This study aims to develop simplified methods that can estimate the collective uncertainty-propagation to the seismic response of damped structures employing HEDDs. To achieve this, three- and six-story steel moment-resisting frames were selected and the propagations of the individual HEDD's property-uncertainties were evaluated when they are subjected to various levels of seismic demand. Based on the result of individual uncertainty-propagations, a simplified method is proposed to evaluate the variation of seismic response collectively propagated by HEDD's property-uncertainties and is verified by comparing with the exact collective uncertainty-propagation calculated using the Monte Carlo simulation method. The proposed method, called as a modified SRSS method in this study, is established from a conventional square root of the sum of the squares (SRSS) method with the relative contributions of the individual HEDD's property-uncertainty propagations. This study shows that the modified SRSS method provides a better estimation than the conventional SRSS method and can significantly reduce computational time with reasonable accuracy compared with the Monte Carlo simulation method.
A relatively simple multiple-vertical-line-element macro model has been incorporated into a standard computer code DRAIN-2D. It was used in blind predictions of seismic response of cantilever RC walls subjected to a series of consequent earthquakes on a shaking table. The model was able to predict predominantly flexural response with relative success. It was able to predict the stiffness and the strength of the pre-cracked specimen and time-history response of the highly nonlinear wall as well as to simulate the shift of the neutral axis and corresponding varying axial force in the cantilever wall. However, failing to identify the rupture of some brittle reinforcement in the third test, the model was not able to predict post-critical, near collapse behaviour during the subsequent response to two stronger earthquakes. The analysed macro model seems to be appropriate for global analyses of complex building structures with RC structural walls subjected to moderate/strong earthquakes. However, it cannot, by definition, be used in refined research analyses monitoring local behaviour in the post critical region.
Large-scale cantilever reinforced concrete (RC) columns with footing/stub were examined to determine their seismic response under a quasi-static increasing-magnitude cyclic lateral loading. Three-dimensional (3D) numerical models of RC columns with ductile and non-ductile reinforcement arrangements were developed in a Finite Element (FE) software, i.e., ABAQUS, to corroborate them with the experimental study conducted by the author. Both simulated models were validated with the experimental results in all respects, and the theoretical axial capacity of columns under concentric axial load (P0) was calculated. Subsequently, a detailed parametric study was conducted by adopting the force and reinforcement variables. These variables include axial compression ratios (ACR) varying from 0.35P0 to 0.7P0 and the amount of lateral reinforcements taken as 0.33% and 1.31% representing the non-ductile and ductile columns, respectively. This research outcome conclusively quantifies the combined effect of ACR levels and lateral reinforcement spacing on the flexural response and ductility characteristics of RC columns. The comparative analysis reveals that increased ACR levels resulted in a severe reduction in strength, deformability and ductility characteristics of both ductile and non-ductile columns. Structural response of ductile columns at higher ACR levels was comparable to the non-ductile columns, nullifying the beneficial effects of ductile design provisions. Higher ACR levels caused decline in pre-peak and post-peak response trajectories, leading to an earlier attainment of peak response at lower drift levels.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.2
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pp.77-86
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2018
This study develops an empirical prediction equation of spectral acceleration responses of earthquakes which can induce structural damages. Ground motion records representing hazards of low-to-moderate seismic regions were selected and organized with several influential factors affecting the response spectra. The empirical equation and estimator coefficients for acceleration response spectra were then proposed using a robust nonlinear optimization coupled with a regression analysis. For analytical verification of the prediction equation, response spectra used for low-to-moderate seismic regions were estimated and the predicted results were comparatively evaluated with measured response spectra. As a result, the predicted shapes of response spectra can simulate the graphical shapes of measured data with high accuracy and most of predicted results are distributed inside range of correlation of variation (COV) of 30% from perfectly correlated lines.
A new seismic energy dissipation shear wall structure is proposed in this paper. The new shear wall is one with purposely built-in vertical slits within the wall panel, and various seismic energy dissipation devices are installed in the vertical slits so that the dynamic characteristics of the structure (for instance, lateral stiffness, ductility and fundamental period) can be controlled. In order to verify this concept, shaking table tests of two 10-story shear wall models were carried out, and the seismic behavior of the two models are studied by analyzing the test data and computing the nonlinear seismic response of the models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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