Energy-based seismic design of structures has gradually become prominent in today's structural engineering investigations because of being more rational and reliable when it is compared to traditional force-based and displacement-based methods. Energy-based approaches have widely taken place in many previous studies and investigations and undoubtedly, they are going to play more important role in future seismic design codes, too. This paper aims to compute the maximum earthquake energy input to elastic single-degree-of-freedom (SDOF) systems for selected real ground motion records. A data set containing 100 real ground motion records which have the same site soil profiles has been selected from Pacific Earthquake Research (PEER) database. Response time history (RTH) analyses have been conducted for elastic SDOF systems having a constant damping ratio and natural periods of 0.1 s to 3.0 s. Totally 3000 RTH analyses have been performed and the maximum mass normalized earthquake input energy values for all records have been computed. Previous researchers' approaches have been compared to the results of RTH analyses and an approach which considers the pseudo-spectral velocity with Arias Intensity has been proposed. Graphs of the maximum earthquake input energy versus the maximum pseudo-spectral velocity have been obtained. The results show that there is a good agreement between the maximum input energy demands of RTH analysis and the other approaches and the maximum earthquake input energy is a relatively stable response parameter to be used for further seismic design and evaluations.
The analysis of interfacial stresses in structural component has been the subject of several investigations but it still requires more effort and studies. In this study a general three-dimensional interface element has been formulated for stress and displacement analyses in the interfacial area between two adjacent plate bending element and brick element. Interface element has 16 nodes with 5 degrees of freedom (DOF) in each node adjacent to plate bending element and 3 DOF in each node adjacent to brick element. The interface element has ability to transfer three translations from each side of interface element and two rotations in the side adjacent to the plate element. Stiffness matrix of this element was formulated and implemented in three-dimensional finite element code. Application of this element to the reinforced concrete (RC) beam strengthened with fiber reinforced polymer (FRP) including variation of deflection, slip between plate and concrete, normal and shear stresses distributions in FRP plates have been verified using experimental and numerical work of strengthened RC beams carried out by some researchers. The results show that this interface element is effective and can be used for structural component with these types of interface elements.
This study aims to propose a performance-based design method of a novel passive base isolation system, BIO isolation system, which is inspired by an energy dissipation mechanism called 'sacrificial bonds and hidden length'. Fragility functions utilized in this study are derived, indicating the probability that a component, element, or system will be damaged as a function of a single predictive demand parameter. Based on PEER framework methodology for Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE), a systematic design procedure using performance and fragility objectives is presented. Base displacement, superstructure absolute acceleration and story drift ratio are selected as engineering demand parameters. The new design method is then performed on a general two degree-of-freedom (2DOF) structure model and the optimal design under different seismic intensities is obtained through numerical analysis. Seismic performances of the biologically inspired (BIO) isolation system are compared with that of the linear isolation system. To further demonstrate the feasibility and effectiveness of this method, the BIO isolation system of a 4-storey reinforced concrete building is designed and investigated. The newly designed BIO isolators effectively decrease the superstructure responses and base displacement under selected earthquake excitations, showing good seismic performance.
This paper deals with the modeling of the plane frame structure-foundation-soil system. The superstructure along with the foundation beam is idealized as beam bending elements. The soil medium near the foundation beam with stress concentrated is idealized by isoparametric finite elements, and infinite elements are used to represent the far field of the soil media. This paper presents the modeling of shear wall structure-foundation and soil system using the optimal membrane triangular, super and conventional finite elements. Particularly, an alternative formulation is presented for the optimal triangular elements aimed at reducing the programming effort and computational cost. The proposed model is applied to a plane frame-combined footing-soil system. It is shown that the total settlement obtained from the non-linear interactive analysis is about 1.3 to 1.4 times that of the non-interactive analysis. Furthermore, the proposed model was found to be efficient in simulating the shear wall-foundation-soil system, being able to yield results that are similar to those obtained by the conventional finite element method.
Nonlinear time-domain system identification (SI) algorithm is proposed to assess damage in a shear building by synchronously estimating time-varying stiffness and damping parameters using measured acceleration data. Mass properties have been assumed as the a priori known information. Viscous damping was utilized for the current research. To chase possible nonlinear dynamic behavior under severe vibration, an incremental governing equation of vibrational motion has been utilized. Stiffness and damping parameters are estimated at each time step by minimizing the response error between measured and computed acceleration increments at the measured degrees-of-freedom. To solve a nonlinear constrained optimization problem for optimal structural parameters, sensitivities of acceleration increment were formulated with respect to stiffness and damping parameters, respectively. Incremental state vectors of vibrational motion were computed numerically by Newmark-${\beta}$ method. No model is pre-defined in the proposed algorithm for recovering the nonlinear response. A time-window scheme together with Monte Carlo iterations was utilized to estimate parameters with noise polluted sparse measured acceleration. A moving average scheme was applied to estimate the time-varying trend of structural parameters in all the examples. To examine the proposed SI algorithm, simulation studies were carried out intensively with sample shear buildings under earthquake excitations. In addition, the algorithm was applied to assess damage with laboratory test data obtained from free vibration on a three-story shear building model.
Theoretical and numerical assessments of approximate evaluations and simplified analyses of piezoelectric structures transverse shear modal effective electromechanical coupling coefficient (EMCC) are presented. Therefore, the latter is first introduced theoretically and its approximate evaluations are reviewed; then, three-dimensional (3D) and simplified two-dimensional (2D) plane-strain (PStrain) and plane-stress (PStress) piezoelectric constitutive behaviors of electroded shear piezoceramic patches are derived and corresponding expected short-circuit (SC) and open-circuit (OC) frequencies and resulting EMCC are discussed; next, using a piezoceramic shear sandwich beam cantilever typical benchmark, a 3D finite element (FE) assessment of different evaluation techniques of the shear modal effective EMCC is conducted, including the equipotential (EP) constraints effect; finally, 2D PStrain and PStress FE modal analyses under SC and OC electric conditions, are conducted and corresponding results (SC/OC frequencies and resulting effective EMCC) are compared to 3D ones. It is found that: (i) physical EP constraints reduce drastically the shear modal effective EMCC; (ii) PStress and PStrain results depend strongly on the filling foam stiffness, rendering inadequate the use of popular equivalent single layer models for the transverse shear-mode sandwich configuration; (iii) in contrary to results of piezoelectric shunted damping and energy harvesting popular single-degree-of-freedom-based models, transverse shear modal effective EMCC values are very small in particular for the first mode which is the common target of these applications.
Rational Functions are used to express the self-excited aerodynamic forces acting on a flexible structure for use in time-domain flutter analysis. The Rational Function Approximation (RFA) approach involves obtaining of these Rational Functions from the frequency-dependent flutter derivatives by using an approximation. In the past, an algorithm was developed to directly extract these Rational Functions from wind tunnel section model tests in free vibration. In this paper, an algorithm is presented for direct extraction of these Rational Functions from section model tests in forced vibration. The motivation for using forced-vibration method came from the potential use of these Rational Functions to predict aerodynamic loads and response of flexible structures at high wind speeds and in turbulent wind environment. Numerical tests were performed to verify the robustness and performance of the algorithm under different noise levels that are expected in wind tunnel data. Wind tunnel tests in one degree-of-freedom (vertical/torsional) forced vibration were performed on a streamlined bridge deck section model whose Rational Functions were compared with those obtained by free vibration for the same model.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
Nikitas, Nikolaos;Macdonald, John H.G.;Jakobsen, Jasna B.
Wind and Structures
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v.14
no.3
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pp.221-238
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2011
The estimated response of large-scale engineering structures to severe wind loads is prone to modelling uncertainties that can only ultimately be assessed by full-scale testing. To this end ambient vibration data from full-scale monitoring of the historic Clifton Suspension Bridge has been analysed using a combination of a frequency domain system identification method and a more elaborate stochastic identification technique. There is evidence of incipient coupling action between the first vertical and torsional modes in strong winds, providing unique full-scale data and making this an interesting case study. Flutter derivative estimation, which has rarely previously been attempted on full-scale data, was performed to provide deeper insight into the bridge aerodynamic behaviour, identifying trends towards flutter at higher wind speeds. It is shown that, as for other early suspension bridges with bluff cross-sections, single-degree-of-freedom flutter could potentially occur at wind speeds somewhat below requirements for modern designs. The analysis also demonstrates the viability of system identification techniques for extracting valuable results from full-scale data.
A smart beam made of magneto-electro-elastic (MEE) material having piezoelectric phase and piezomagnetic phase, shows the coupling between magnetic, electric, thermal and mechanical under thermal environment. Product properties such as pyroelectric and pyromagnetic are generated in this MEE material under thermal environment. Recently studies have been published on the product properties (pyroelectric and pyromagnetic) for magneto-electro-thermo-elastic smart composite. Hence, the magneto-electro-elastic beam with different volume fractions, investigated under uniform temperature rise is the main aim of this paper, to study the influence of product properties on clamped-free boundary condition, using finite element procedures. The finite element beam is modeled using eight node 3D brick element with five nodal degrees of freedom viz. displacements in the x, y and z directions and electric and magnetic potentials. It is found that a significant increase in electric potential observed at volume fraction of $BaTiO_3$, $v_f$ = 0.2 due to pyroelectric effect. In-contrast, the displacements and stresses are not much affected.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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