During recent earthquakes, a significant number of concrete structures suffered extensive damage. Conventional reinforced concrete structures are designed for life-time safety that may see permanent inelastic deformation after severe earthquakes. Hence, there is a need to utilize adequate materials that have the ability to tolerate large deformation and get back to their original shape. Super-elastic shape memory alloy (SMA) is a smart material with unique properties, such as the ability to regain undeformed shape by unloading or heating. In this research, four different stories (three, five, seven and nine) of reinforced concrete (RC) buildings have been studied and subjected to near-field ground motions. For each building, two different types of reinforcement detailing are considered, including (1) conventional steel reinforcement (RC frame) and (2) steel-SMA reinforcement (SMA RC frame), with SMA bars being used at plastic zones of beams and steel bars in other regions. Nonlinear time history analyses have been performed by "SeismoStruct" finite element software. The results indicate that the application of SMA materials in plastic hinge regions of the beams lead to reduction of the residual displacement and consequently post-earthquake repairs. In general, it can be said that shape memory alloy materials reduce structural damage and retrofit costs.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.5
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pp.85-98
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1993
A method of analysis for the material and geometric nonlinear analysis of planar prestressed concrete cable-stayed bridges including the time-dependent effects due to load history, creep, shrinkage, aging of concrete and relaxation of prestress is described. The analysis procedure, based on the finite element method, is capable of predicting the response of these structures through elastic, cracking, inelastic and ultimate ranges. The nonlinear formulation for the description of motion is based on the updated Lagrangian approach. To account for the material nonlinearity, nonlinear stress-strain relationship and cracking of concrete, nonlinear stress-strain relationships of reinforcing steel, prestressing steel, and cable, including load reversal are given. Results from a numerical examples on ultimate analyses of cable-stayed bridges are presented to illustrate the analysis method.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.6
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pp.71-80
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2003
Though a nonlinear time history analysis may be provided to estimate more exactly the seismic performance of building structure, approximation methods are still needed in the aspect of practicality and simplicity, In converting a multi-story structure to an equivalent SDOF system, the mode vectors of the multi-story structure are assumed as the mode shape in elastic state regardless of elastic or elastic-plastic state. However, the characteristics of displacement mode are also changed after the yielding made in the structural elements, because the structure becomes inelastic in each incremental load step. In this research, a method of converting MDOF system to ESDOF system is presented by using nonlinear displacement mode considering the mode change of structures after the yielding. Also, the accuracy and efficiency of the method of the nonlinear displacement mode method of the estimate of seismic response of Mixed Building Structures were examined by comparing the displacements of the roof level of the multi-story building structures estimated from this converted displacement response of ESDOF with the displacement of the roof level through the nonlinear dynamic analysis of the multi-story building structures subjected to an actual earthquake excitation.
Using the nonlinear static procedures has become very common in seismic codes to achieve the nonlinear response of the structure during an earthquake. The capacity spectrum method (CSM) adopted in ATC-40 is considered as one of the most known and useful procedures. For this procedure the seismic demand can be approximated from the maximum deformation of an equivalent linear elastic Single-Degree-of-Freedom system (SDOF) that has an equivalent damping ratio and period by using an iterative procedure. Data from the results of this procedure are plotted in acceleration- displacement response spectrum (ADRS) format. Different improvements have been made in order to have more accurate results compared to the Non Linear Time History Analysis (NL-THA). A new procedure is presented in this paper where the iteration process shall not be required. This will be done by estimation the ductility demand response spectrum (DDRS) and the corresponding effective damping of the bilinear system based on a new parameter of control, called normalized yield strength coefficient (η), while retaining the attraction of graphical implementation of the improved procedure of the FEMA-440. The proposed procedure accuracy should be verified with the NL-THA analysis results as a first implementation. The comparison shows that the new procedure provided a good estimation of the nonlinear response of the structure compared with those obtained when using the NL-THA analysis.
For economical earthquake resistant design of cable-stayed bridge tower, the use of energy dissipation systems for the earthquake protection of steel structures represents an alternative seismic design method where the tower structure could be constructed to dissipate a large amount of earthquake input energy through inelastic deformations in certain positions, which could be easily retrofitted after damage. The design of energy dissipation systems for bridges could be achieved as the result of two conflicting requirements: no damage under serviceability limit state load condition and maximum dissipation under ultimate limit state load condition. A new concept for cable-stayed bridge tower seismic design that incorporates sacrificial link scheme of low yield point steel horizontal beam is introduced to enable the tower frame structure to remain elastic under large seismic excitation. A nonlinear dynamic analysis for the tower model with the proposed energy dissipation systems is carried out and compared to the response obtained for the tower with its original configuration. The improvement in seismic performance of the tower with supplemental passive energy dissipation system has been measured in terms of the reduction achieved in different response quantities. Obtained results show that the proposed energy dissipation system of low yield point steel seismic link could strongly enhance the seismic performance of the tower structure where the tower and the overall bridge demands are significantly reduced. Low yield point steel seismic link effectively reduces the damage of main structural members under earthquake loading as seismic link yield level decreases due their exceptional behavior as well as its ability to undergo early plastic deformations achieving the concentration of inelastic deformation at tower horizontal beam.
The wind design of buildings is typically based on strength provisions under ultimate loads. This is unlike the ductility-based approach used in seismic design, which allows inelastic actions to take place in the structure under extreme seismic events. This research investigates the application of a similar concept in wind engineering. In seismic design, the elastic forces resulting from an extreme event of high return period are reduced by a load reduction factor chosen by the designer and accordingly a certain ductility capacity needs to be achieved by the structure. Two reasons have triggered the investigation of this ductility-based concept under wind loads. Firstly, there is a trend in the design codes to increase the return period used in wind design approaching the large return period used in seismic design. Secondly, the structure always possesses a certain level of ductility that the wind design does not benefit from. Many technical issues arise when applying a ductility-based approach under wind loads. The use of reduced design loads will lead to the design of a more flexible structure with larger natural periods. While this might be beneficial for seismic response, it is not necessarily the case for the wind response, where increasing the flexibility is expected to increase the fluctuating response. This particular issue is examined by considering a case study of a sixty-five-story high-rise building previously tested at the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory at the University of Western Ontario using a pressure model. A three-dimensional finite element model is developed for the building. The wind pressures from the tested rigid model are applied to the finite element model and a time history dynamic analysis is conducted. The time history variation of the straining actions on various structure elements of the building are evaluated and decomposed into mean, background and fluctuating components. A reduction factor is applied to the fluctuating components and a modified time history response of the straining actions is calculated. The building components are redesigned under this set of reduced straining actions and its fundamental period is then evaluated. A new set of loads is calculated based on the modified period and is compared to the set of loads associated with the original structure. This is followed by non-linear static pushover analysis conducted individually on each shear wall module after redesigning these walls. The ductility demand of shear walls with reduced cross sections is assessed to justify the application of the load reduction factor "R".
Sullivan, Timothy J.;Calvi, Paolo M.;Nascimbene, Roberto
Earthquakes and Structures
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v.4
no.1
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pp.109-132
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2013
Current codes incorporate simplified methods for the prediction of acceleration demands on secondary structural and non-structural elements at different levels of a building. While the use of simple analysis methods should be advocated, damage to both secondary structural and non-structural elements in recent earthquakes have highlighted the need for improved design procedures for such elements. In order to take a step towards the formation of accurate but simplified methods of predicting floor spectra, this work examines the floor spectra on elastic and inelastic single-degree of freedom systems subject to accelerograms of varying seismic intensity. After identifying the factors that appear to affect the shape and intensity of acceleration demands on secondary structural and non-structural elements, a new series of calibrated equations are proposed to predict floor spectra on single degree of freedom supporting structures. The approach uses concepts of dynamics and inelasticity to define the shape and intensity of the floor spectra at different levels of damping. The results of non-linear time-history analyses of a series of single-degree of freedom supporting structures indicate that the new methodology is very promising. Future research will aim to extend the methodology to multi-degree of freedom supporting structures and run additional verification studies.
Reyes-Salazar, Alfredo;Soto-Lopez, Manuel Ernesto;Bojorquez-Mora, Eden;Lopez-Barraza, Arturo
Structural Engineering and Mechanics
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v.41
no.2
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pp.183-204
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2012
Several issues regarding the structural idealization of steel buildings with perimeter moment resisting steel frames (MRSFs) and interior gravity frames (GFs) are studied. Results indicate that the contribution of GFs to the lateral structural resistance may be significant. The contribution increases when the stiffness of the connection of the GFs is considered and is larger for inelastic than for elastic behavior. The interstory shears generally increase when the connections stiffness is taken into account. Resultant stresses at some base columns of MRSFs also increase in some cases but to a lesser degree. For columns of the GFs, however, the increment is significant. Results also indicate that modeling the building as planes frames may result in larger interstory shears and displacements and resultant stresses than those obtained from the more realistic 3-D formulation. These differences may be much larger when semi-rigid (SR) connections are considered. The conservativism is more for resultant stresses. The differences observed in the behaviour of each structural representation are mainly due to a) the elements that contribute to strength and stiffness and b) the dynamics characteristics of each structural representation. It is concluded that, if the structural system under consideration is used, the three-dimensional model should be used in seismic analysis, the GFs should be considered as part of the lateral resistance system, and the stiffness of the connections should be included in the design of the GFs. Otherwise, the capacity of gravity frames may be overestimated while that of MRSFs may be underestimated.
As stated in Part(I), the use of the isolator is meant to protect a structure from seismic risk, by concentrating the inelastic deformations to relatively cheap and replaceable devices while the rest of the structures remains elastic. This research has been carried out to investigate the effects of various structural parameters and isolator characteristics on the seismic response of Base Isolated Bridges. Simplified analysis method for practical design is developed by using the results. The Proposed Code-Type approach method can be used to estimate the inertial forces accurately, not only at the isolator but throughout the height of the Base-Isolated Bridges. The proposed method is recommended to use in preliminary design tool or even a final design tool for Base Isolated Bridges. For the validation of simplified design method, examples with artificial earthquake time history and design response spectrum for P.C Box Bridge with bilinear hysteretic steel damper are evaluated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.2
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pp.121-128
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2020
The purpose of this study is to investigate the distribution patterns of displacement and acceleration fields in a nonlinear soil ground based on the interaction of high-speed train, wheel, rail, and ground. For this purpose, a high-speed train in motion was modeled as the actual wheel, and the vertical contact of wheel and rail and the lateral contact, caused by meandering motion, were simulated; this simulation was based on the moving mass analysis. The soil ground part was given the nonlinear behavior of the upper ground part by using the modified the Drucker-Prager model, and the changes in displacement and acceleration were compared with the behavior of the elastic and inelastic grounds. Using this analysis, the displacement and acceleration ranges close to the actual ground behavior were addressed. Additionally, the von-Mises stress and equivalent plastic strain at the ground were examined. Further, the equivalent plastic and total volumetric strains at each failure surface were examined. The variation in stresses, such as vertical stress, transverse pressure, and longitudinal restraint pressure of wheel-rail contact, with the time history was investigated using moving mass. In the case of nonlinear ground model, the displacement difference obtained based on the train travel is not large when compared to that of the elastic ground model, while the acceleration is caused to generate a large decrease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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