For historical masonry structures existing in the Mediterranean area, structural strengthening is of primary importance due to the continuous earthquake threat that is posed on them. Proper retrofitting of historical structures involves a thorough understanding of their structural pathology, before proceeding with any intervention measures. In this paper, a methodology is presented for the evaluation of the actual state of historical masonry structures, which can provide a useful tool for the seismic response assessment before and after the retrofitting. The methodology is mainly focused on the failure and vulnerability analysis of masonry structures using the finite element method. Using this methodology the retrofitting of historical structures with innovative techniques is investigated. The innovative technique presented here involves the exploitation of Shape Memory Alloy prestressed bars. This type of intervention is proposed because it ensures increased reversibility and minimization of interventions, in comparison with conventional retrofitting methods. In this paper, a case study is investigated for the demonstration of the proposed methodologies and techniques, which comprises a masonry Byzantine church and a masonry Cistern. Prestressed SMA alloy bars are placed into the load-bearing system of the structure. The seismic response of the non-retrofitted and the retrofitted finite element models are compared in terms of seismic energy dissipation and displacements diminution.
Zygouris, Nick St.;Kotsovos, Gerasimos M.;Kotsovos, Michael D.
Earthquakes and Structures
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v.8
no.3
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pp.713-732
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2015
The application of the compressive force path method for the design of earthquake-resistant reinforced concrete structural walls with a shear span-to-depth ratio larger than 2.5 has been shown by experiment to lead to a significant reduction of the code specified transverse reinforcement within the critical lengths without compromising the code requirements for structural performance. The present work complements these findings with experimental results obtained from tests on structural walls with a shear span-to-depth ratio smaller than 2.5. The results show that the compressive force path method is capable of safeguarding the code performance requirements without the need of transverse reinforcement confining concrete within the critical lengths. Moreover, it is shown that ductility can be considerably increased by improving the strength of the two bottom edges of the walls through the use of structural steel elements extending to a small distance of the order of 100 mm from the wall base.
A number of construction practices, implemented during the design process of a reinforced concrete (RC) structural system, may have significant consequences on the behaviour of the structural system in the case of earthquake loading. Although a number of provisions are imposed by the contemporary Greek national design codes for the seismic design of RC structures, in order to reduce the consequences, the influence of the construction practices on the seismic behaviour of the structural system remains significant. The objective of this work is to perform a comparative study in order to examine the influence of three, often encountered, construction practices namely weak ground storey, short and floating columns and two combinations on the seismic performance of the structural system with respect to the structural capacity and the maximum interstorey drifts in three earthquake hazard levels.
Eleftheriadou, Anastasia K.;Karabinis, Athanasios I.
Earthquakes and Structures
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v.4
no.3
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pp.299-324
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2013
The current research focuses on the seismic vulnerability assessment of typical Southern Europe buildings, based on processing of a large set of observational damage data. The presented study constitutes a sequel of a previous research. The damage statistics have been enriched and a wider damage database (178578 buildings) is created compared to the one of the first presented paper (73468 buildings) with Damage Probability Matrices (DPMs) after the elaboration of the results from post-earthquake surveys carried out in the area struck by the 7-9-1999 near field Athens earthquake. The dataset comprises buildings which developed damage in several degree, type and extent. Two different parameters are estimated for the description of the seismic demand. After the classification of damaged buildings into structural types they are further categorized according to the level of damage and macroseismic intensity. The relative and the cumulative frequencies of the different damage states, for each structural type and each intensity level, are computed and presented, in terms of damage ratio. Damage Probability Matrices (DPMs) are obtained for typical structural types and they are compared to existing matrices derived from regions with similar building stock and soil conditions. A procedure is presented for the classification of those buildings which initially could not be discriminated into structural types due to restricted information and hence they had been disregarded. New proportional DPMs are developed and a correlation analysis is fulfilled with the existing vulnerability relations.
When assessing buildings that may collapse during a large earthquake, conventional rapid visual screening procedures generally provide good results when identifying buildings for further investigation. Unfortunately, their accuracy at identify buildings at risk is not so good. In addition, there appears to be little room for improvement. This paper investigates an alternative screening procedure based on fuzzy logic and artificial neural networks. Two databases of buildings damaged during the Athens earthquake of 1999 are used for training purposes. Extremely good results are obtained from one database and not so good results are obtained from the second database. This finding illustrates the importance of specifically collecting data tailored to the requirements of the fuzzy logic based rapid visual screening procedure. In general, results demonstrate that the trained fuzzy logic based rapid visual screening procedure represents a marked improvement when identifying buildings at risk. In particular, when smaller percentages of the buildings with high damage scores are extracted for further investigation, the proposed fuzzy screening procedure becomes more efficient. This paper shows that the proposed procedure has a significant optimisation potential, is worth pursuing and, to this end, a strategy that outlines the future development of the fuzzy logic based rapid visual screening procedure is proposed.
The prediction of seismic behavior of the existing building stock is one of the most impactful and complex problems faced by countries with frequent and intense seismic activities. Human lives can be threatened or lost, the economic life is disrupted and large amounts of monetary reparations can be potentially required. However, authorities at a regional or national level have limited resources at their disposal in order to allocate to preventative measures. Thus, in order to do so, it is essential for them to be able to rank a given population of structures according to their expected degree of damage in an earthquake. In this paper, the authors present a ranking approach, based on Machine Learning (ML) algorithms for pairwise comparisons, coupled with ad hoc ranking rules. The case study employed data from 404 reinforced concrete structures with various degrees of damage from the Athens 1999 earthquake. The two main components of our experiments pertain to the performance of the ML models and the success of the overall ranking process. The former was evaluated using the well-known respective metrics of Precision, Recall, F1-score, Accuracy and Area Under Curve (AUC). The performance of the overall ranking was evaluated using Kendall's tau distance and by viewing the problem as a classification into bins. The obtained results were promising, and were shown to outperform currently employed engineering practices. This demonstrated the capabilities and potential of these models in identifying the most vulnerable structures and, thus, mitigating the effects of earthquakes on society.
Kotsovos, Michael D.;Pavlovic, Milija N.;Cotsovos, Demetrios M.
Computers and Concrete
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v.5
no.3
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pp.243-260
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2008
The present article summarises the fundamental characteristics of concrete behaviour which underlie the formulation of an engineering finite element model capable of realistically predicting the behaviour of (plain or reinforced) concrete structural forms in a wide range of problems ranging from static to impact loading without the need of any kind of re-calibration. The already published evidence supporting the proposed formulation is complemented by four additional typical case studies presented herein; for each case, a comparative study is carried out between numerical predictions and the experimental data which reveals good agreement. Such evidence validates the material characteristics upon which the FE model's formulation is based and provides an alternative explanation regarding the behaviour of structural concrete and how it should be modelled which contradicts the presently (widely) accepted assumptions adopted in the majority of FE models used to predict the behaviour of concrete.
In this paper the dynamic behavior of an isolated building subjected to idealized near-fault pulses is investigated. The building is represented with a simple 2-DOF model. Both linear and non-linear behavior of the isolation system is considered. Using dimensional analysis, in conjunction with closed form mathematical idealized pulses, appropriate dimensionless parameters are defined and self-similar curves are plotted on dimensionless graphs, based on which various conclusions are reached. In the linear case, the role of viscous damping is examined in detail and the existence of an optimum value of damping along with its significant variation with the number of half-cycles is shown. In the nonlinear case, where the behavior of the building depends on the amplitude of the excitation, the benefits of dimensional analysis are evident since the influence of the dimensionless 𝚷-terms is easily examined. Special consideration is given to the normalized strength of the non-linear isolation system that appears to play a complex role which greatly affects the response of the 2-DOF. In the last part of the paper, a comparison of the responses to idealized pulses between a linear fixed-base SDOF and the respective isolated 2-DOF with both linear and non-linear damping is conducted and it is shown that, under certain values of the superstructure and isolation system characteristics, the use of an isolation system can amplify both the normalized acceleration and displacement of the superstructure.
A reduction of the response of irregular structures subjected to earthquake excitation by control devices equipped by suitable control algorithm is proposed in this paper. The control algorithm, which is used, is the pole placement one. A requirement of successful application of pole placement algorithm is a definition-selection of suitable poles (eigen-values) of controlled irregular structures. Based on these poles, the required action is calculated and applied to the irregular structure by means of control devices. The selection of poles of controlled irregular structure, is a critical issue for the success of the algorithm. The calculation of suitable poles of controlled irregular structure is proposed herein by the following procedure: a fictitious symmetrical structure is considered from the irregular structure, adding vertical elements, such as columns or shear walls, at any location where is necessary. Then, the eigen-values of symmetrical structure are calculated, and are forced to be the poles of irregular controlled structure. Based on these poles and additional damping, the new poles of the controlled irregular structure are calculated. By pole placement algorithm, the feedback matrix is obtained. Using this feedback matrix, control forces are calculated at any time during the earthquake, and are applied to the irregular structure by the control devices. This procedure results in making the controlled irregular structure to behave like a symmetrical one. This control strategy can be applied to one storey or to multi-storey irregular buildings. Furthermore, the numerical results were shown that with small amount of control force, a sufficient reduction of the response of irregular buildings is achieved.
This experimental study investigates the effectiveness of applying carbon fiber reinforced polymer (CFRP) jackets for the retrofit of short reinforced concrete (RC) columns with inadequate transverse reinforcement and stirrup spacing to longitudinal rebar diameter equal to 12. RC columns scaled at 1/3, with round and square section, were subjected to axial compression up to failure. A damage scale is introduced for the assessment of the damage severity, which focusses on the extent of buckling of the longitudinal rebars. The damaged specimens were subsequently repaired with unidirectional CFRP jackets without any treatment of the buckled reinforcing bars and were finally re-tested to failure. Test results indicate that CFRP jackets may be effectively applied to rehabilitate RC columns (a) with inadequate transverse reinforcement constructed according to older practices so as to meet modern code requirements, and (b) with moderately buckled bars without the need of previously repairing the reinforcement bars, an application technique which may considerably facilitate the retrofit of earthquake damaged RC columns. Factors for the estimation of the reduced mechanical properties of the repaired specimens compared to the respective values for intact CFRP-jacketed specimens, in relation to the level of damage prior to retrofit, are proposed both for the compressive strength and the average modulus of elasticity. It was determined that the compressive strength of the retrofitted CFRP-jacketed columns is reduced by 90% to 65%, while the average modulus of elasticity is lower by 60% to 25% in respect to similar undamaged columns jacketed with the same layers of CFRP.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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