In the current research, a displacement-based seismic design scheme to retrofit reinforced concrete columns using FRP composite materials has been proposed. An accurate prediction for the nonlinear flexural analysis of FRP jacketed concrete members has been presented under multiaxial constitutive laws of concrete and composite materials. Through modification of the displacement coefficient method (DCM) and the direct displacement-based design method (DDM) of reinforced concrete structures, two algorithms for a performance-based seismic retrofit design of reinforced concrete columns with a FRP jacket have been newly introduced. From applications to retrofit design it is known that two methods are easy to apply in retrofit design and the DCM procedure underestimates the target displacement to compare with the DDM procedure.
본 연구에서는 변위기반 성능설계 개념에 의해 기존 철근콘크리트 기둥과 콘크리트에 강재를 매입한 SRC 합성기둥에 대하여 최대 설계지진 가속도에 대한 내진성능개선의 성능설계을 비교하였다. SRC 합성기둥은 구조물의 강도를 증가시킬 뿐 아니라 연성도를 증가시키는 효과가 있다. SRC 합성기둥의 단면은 H형 강재와 원형의 중공 강관을 매입한 형태로 구성되어 있다. SRC 합성기둥에 대한 P-M상관도와 단면 공칭휨모멘트를 분석하고 이를 바탕으로 SRC 합성기둥에 대한 설계 변위 추정을 위해 변위기반 내진 설계 알고리즘을 제시하였다. 성능기반설계에 의한 성능개선설계를 위하여 목표성능변위 및 설계지진가속도 조건에 대해 직접변위 기반 설계방법 및 변위계수법에 의한 내진성능개선 설계 방법을 제시하였다. SRC 합성기둥은 기존 RC 기둥과 비교하여 성능개선 설계 결과 변위 연성비 및 변위성능에서 크게 개선된 성능설계 결과를 나타내었다.
본 연구는 기존 철근콘크리트 구조물에 대하여 대표적인 변위-기반 설계법인 Chopra&Goel 이 제안한 직접변위-기반 설계법의 기본개념을 적용하여 최대 설계지반 가속도에 대한 보강 Steel Jacket의 두께를 결장하고, 결정된 보강 두께를 적용하여 보강전 후 성능설계기법에 의한 비선형 해석 및 보강설계법에 의한 보다 개선된 알고리즘 및 프로그램을 제시하였다. Steel Jacket 보강된 철근콘크리트 기둥에 대한 설계 변위 추정을 위해 Steel Jacket 보강된 철근콘크리트 부재의 비선형 층상화 세그멘트 해석 모델을 제시하고, 성능기반설계에 의한 성능개선설계를 위하여 목표성능변위 및 설계자전가속도 조건에 대해 직접 변위-기반 설계 방법 및 변위계 수법에 의한 내진성능개선 설계 방법을 제시하였다. 적용 예에서 본 방법은 기존 철근콘크리트 기둥과 비교하여 성능개선설계 결과 보강 전에 비해 변위 연성비 및 변위성능에서 크게 개선된 성능설계 결과를 제공해 주었다.
In the last decade, displacement-based (DB) methods have become established design procedures for reinforced concrete (RC) structures. They use strain and displacement measures as seismic performance control parameters. As for other simplified seismic design methods, it is of great interest to prove if they are usually conservative in respect to more refined, nonlinear, time history analyses, and can estimate design parameters with acceptable accuracy. In this paper, the current Direct Displacement-Based Design (DDBD) procedure is evaluated for designing simple single degree of freedom (SDOF) systems with specific reference to simply supported RC bridge piers. Using different formulations proposed in literature for the equivalent viscous damping and spectrum reduction factor, a parametric study is carried out on a comprehensive set of SDOF systems, and an average error chart of the method is derived allowing prediction of the expected error for an ample range of design cases. Following the chart, it can be observed that, for the design of actual RC bridge piers, underestimation errors of the DDBD method are very low, while the overestimation range of the simplified displacement-based procedure is strongly dependent on design ductility.
There has been an increasing demand for introducing a base isolation system to secure the seismic safety of a nuclear power plant. However, the design criteria and the safety assessment methodology of a base isolated nuclear facility are still being developed. A performance based design concept for the base isolation system needs to be added to the general seismic design procedures. For the base isolation system, the displacement responses of isolators excited by the extended design basis earthquake are important as well as the design displacement. The possible displacement response by the extended design basis earthquake should be limited less than the failure displacement of the isolator. The failure of isolators were investigated by an experimental test to define the ultimate strain level of rubber bearings. The uncertainty analysis, considering the variations of the mechanical properties of isolators and input ground motions, was performed to estimate the probabilistic distribution of the isolator displacement. The relationship of the displacement response by each ground motion level was compared in view of a period elongation and a reduction of damping. Finally, several examples of isolator parameters are calculated and the considerations for an acceptable isolation design is discussed.
Direct displacement-based design (DDBD) represents an innovative philosophy for seismic design of structures. When structural considerations are more critical, DDBD design should be carried on the basis of limiting material strains since structural damage is always strain related. In this case, the outcome of DDBD is strongly influenced by the displacement demand of the structural element for the target limit strains. Experimental studies have shown that anchorage slip may contribute significantly to the total displacement capacity of R/C column elements. However, in the previous studies, anchorage slip effect is either ignored or lumped into flexural deformations by applying the equivalent strain penetration length. In the light of the above, an attempt is made in this paper to include explicitly anchorage slip effect in DDBD of R/C column elements. For this purpose, a new computer program named RCCOLA-DBD is developed for the DDBD of single R/C elements for limiting material strains. By applying this program, more than 300 parametric designs are conducted to investigate the influence of anchorage slip effect as well as of numerous other parameters on the seismic design of R/C members according to this methodology.
Astarlioglu, Serdar;Memari, Ali M.;Scanlon, Andrew
Structural Engineering and Mechanics
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제10권4호
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pp.405-426
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2000
Two approximate methods based on mechanism analysis suitable for seismic assessment/design of structural concrete are reviewed. The methods involve use of equal energy concept or equal displacement concept along with appropriate patterns of inelastic deformations to relate structure's maximum lateral displacement to member and plastic deformations. One of these methods (Clough's method), defined here as a ductility-based approach, is examined in detail and a modification for its improvement is suggested. The modification is based on estimation of maximum inelastic displacement using inelastic design response spectra (IDRS) as an alternative to using equal energy concept. The IDRS for demand displacement ductilities are developed for a single degree of freedom model subjected to several accelerograms as functions of response modification factor (R), damping ratios, and strain hardening. The suggested revised methodology involves estimation of R as the ratio of elastic strength demand to code level demand, and determination of design base shear using $R_{design}{\leq}R$ and maximum displacement, determination of plastic displacement using IDRS and subsequent local plastic deformations. The methodology is demonstrated for the case of a 10-story precast wall panel building.
A performance-based design (PBD) procedure, initially proposed for the seismic design of buildings, is tailored herein to the structural configurations commonly adopted in bridges. It aims at the efficient design of bridges for multiple performance levels (PLs), achieving control over a broad range of design parameters (i.e., strains, deformations, ductility factors) most of which are directly estimated at the design stage using advanced analysis tools (a special type of inelastic dynamic analysis). To evaluate the efficiency of the proposed design methodology, it is applied to an actual bridge that was previously designed using a different PBD method, namely displacement-based design accounting for higher mode effects, thus enabling comparison of the alternative PBD approaches. Assessment of the proposed method using nonlinear dynamic analysis for a set of spectrum-compatible motions, indicate that it results in satisfactory performance of the bridge. Comparison with the displacement-based method reveals significant cost reduction, albeit at the expense of increased computational effort.
Most of seismic designs of major structures up to now have been performed by the traditional 'force-based design' approaches. However, they are not so efficient to evaluate the structural deformations by potential nonlinear behaviors which are directly related with the damages or performance levels during earthquakes. Lately, based on this situation, various kinds of new seismic design approaches based on the deformation, which is called 'displacement-based design' procedures, have been proposed. In this paper, most of detail techniques and procedures of the new design methods in the literature are comparatively reviewed and evaluated first, followed by a series of design examples of typical bridge structures. Comparing the results with those of the existing force-based design, the improved levels of performance and economy of the displacement-based seismic design have been validated.
A performance-based seismic design method for reinforced concrete building structures being developed in Japan is outlined. Technical and scientific background of the performance-based design philosophy as well as recently developed seismic design guidelines are is presented, in which maximum displacement response to design earthquake motion is used as the limit-state design criteria. A method of estimating dynamic response displacement of the structures based on static nonlinear analysis is described. A theoretical estimation of nonlinear dynamic response considering the characteristics of energy input to the system is described in detail, which may be used as the standard method in the new performance-based code. A desing philosophy not only satisfying the criteria but also evaluating seismic capacity of the structures is also introduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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