The present study investigates the non-linear soil-pile interaction using three-dimensional (3D) non-linear finite element models. The numerical models were validated by using the results of extensive pile load and shaking table tests. The pile performance in liquefiable and non-liquefiable soil has been studied by analyzing the liquefaction ratio, pile lateral displacement (LD), pile bending moment (BM), and frictional resistance (FR) results. The pile models have been developed for the different ground conditions. The study reveals that the results obtained during the pile load test and shaking cycles have good agreement with the predicted pile and soil response. The soil density, peak ground acceleration (PGA), slenderness ratio (L/D), and soil condition (i.e., dry and saturated) are considered during modeling. Four ground motions are used for the non-linear time history analyses. Consequently, design charts are proposed depended on the analysis results to be used for design practice. Eleven models have been used to validate the capability of these charts to capture the soil-pile response under different seismic intensities. The results of the present study demonstrate that L/D ratio slightly affects the lateral displacement when compared with other parameters. Also, it has been observed that the increasing in PGA and decreasing L/D decreases the excess pore water pressure ratio; i.e., increasing PGA from 0.1 g to 0.82 g of loose sand model, decrease the liquefaction ratio by about 50%, and increasing L/D from 15 to 75 of the similar models (under Kobe earthquake), increase this ratio by about 30%. This study reveals that the lateral displacement increases nonlinearly under both dry and saturated conditions as the PGA increases. Similarly, it is observed that the BM increases under both dry and saturated states as the L/D ratio increases. Regarding the acceleration histories, the pile BM was reduced by reducing the acceleration intensity. Hence, the pile BM decreased to about 31% when the applied ground motion switched from Kobe (PGA=0.82 g) to Ali Algharbi (PGA=0.10 g). This study reveals that the soil conditions affect the relationship pattern between the FR and the PGA. Also, this research could be helpful in understanding the threat of earthquakes in different ground characteristics.
The use of high-strength steels in construction of highrise and mega building structures can bring about many technological advantages from fabrication to erection. However, key design criteria such as local and lateral stability in current steel design specifications were developed based on tests of ordinary steels which have stress-strain characteristics very different from that of high strength steels. A series of tests on 800 MPa tensile strength steel (HSA800) members are summarized in this paper which were conducted to investigate the appropriateness of extrapolating current ordinary-steel based design criteria to high strength steels. 800 MPa I-shape beam specimens designed according to flange local buckling (FLB) criteria of the AISC Specification developed a sufficient strength for elastic design and a marginal rotation capacity for plastic design. It is shown that, without introducing distinct and significant yield plateau to the stress-strain property of high-strength steel, it is inherently difficult to achieve a high rotation capacity even if all the current stability limits are met. 800 MPa I-shape beam specimens with both low and high warping rigidity exhibited sufficient lateral torsional buckling (LTB) strength. HSA800 short-column specimens with various edge restraint exhibited sufficient local buckling strength under uniform compression and generally outperformed ordinary steel specimens. The experimental P-M strength was much higher than the AISC nominal P-M strength. The measured residual stresses indicated that the impact of residual stress on inelastic buckling of high-strength steel is less. Cyclic seismic test results showed that HSA800 members have the potential to be used as non-ductile members or members with limited ductility demand in seismic load resisting systems. Finally, recent applications of 800 MPa high strength steel to highrise and mega building structures in Korea are briefly presented.
With recent growing interests in the Performance-Based Seismic Design and Assessment Methodology, more realistic modeling of a structural system is deemed essential in analyzing, designing, and evaluating both newly constructed and existing buildings under seismic events. Consequently, a shallow foundation element becomes an essential constituent in the implementation of this seismic design and assessment methodology. In this paper, a contact interface fiber section element is presented for use in modeling soil-shallow foundation systems. The assumption of a rigid footing on a Winkler-based soil rests simply on the Euler-Bernoulli's hypothesis on sectional kinematics. Fiber section discretization is employed to represent the contact interface sectional response. The hyperbolic function provides an adequate means of representing the stress-deformation behavior of each soil fiber. The element is simple but efficient in representing salient features of the soil-shallow foundation system (sliding, settling, and rocking). Two experimental results from centrifuge-scale and full-scale cyclic loading tests on shallow foundations are used to illustrate the model characteristics and verify the accuracy of the model. Based on this comprehensive model validation, it is observed that the model performs quite satisfactorily. It resembles reasonably well the experimental results in terms of moment, shear, settlement, and rotation demands. The hysteretic behavior of moment-rotation responses and the rotation-settlement feature are also captured well by the model.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.4
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pp.93-102
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2010
In this study, a smart sky-bridge composed of MR damper and FPS has been proposed and vibration control performance of a smart sky-bridge for the connected buildings was investigated. To this end, 10-story and 20-story building structures connected by a smart sky-bridge were selected as example structures and El Centro and Kobe earthquakes, which have near and far fault ground motion characteristics respectively, were used for time history analyses. In order to effectively control the smart sky-bridge, fuzzy logic controller was developed and multi-objective genetic algorithm was used to optimize fuzzy logic controllers. Based on optimization results, it has been seen that there is a trade-off between seismic responses of 10-story and 20-story buildings and a suite of Pareto optimal solutions of fuzzy logic controllers for seismic response control can be obtained by multi-objective genetic algorithm. It is shown from numerical study that seismic responses of adjacent buildings can be efficiently controlled by using a smart sky-bridge.
In recent years, technological developments have rapidly increased the number of complex structures and equipment in the industrial. Accordingly, the prognostics and health monitoring (PHM) technology has become significant. The safety assessment of industrial sites requires data obtained by installing a number of sensors in the structure. Therefore, digital twin technology, which forms the core of the Fourth Industrial Revolution, is attracting attention in the safety field. The research on digital twin technology of structures subjected to seismic loads has been conducted recently. Hence, this study proposes a digital twin system that estimates the responses and arbitrary load in real time by utilizing the minimum sensor to a pipe that receives a seismic and arbitrary load. To construct the digital twin system, a finite-element model was created considering the dynamic characteristics of the pipe system, and then updating the finite-element model. In addition, the calculation speed was improved using a finite-element model that applied the reduced-order modeling (ROM) technology to achieve real-time performance. The constructed digital twin system successfully and rapidly estimated the load and the point where the sensor was not attached. The accuracy of the constructed digital twin system was verified by comparing the response of the digital twin model with that derived by using the load estimated from the digital twin model as input in the finite-element model.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1C
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pp.31-40
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2008
This study presents the assessment of pseudostatic approach for obtaining the internal response of Single Column/Shaft subjected to earthquake loading. In numerical procedure, various lateral load transfer characteristics (p-y curve and Bi-linear curve) were used to model the nonlinear behavior of soil reactions including soil-pile interaction. The analysis using nonlinear soil model could estimate the seismic performance of soil-pile system, despite its relative simplicity. It was found that lateral behavior of single column/shaft obtained from the response displacement method was larger than those by seismic intensity method. To investigate the effects of soil-pile rigidity and pile head condition on the internal pile response, parametric studies were carried out for various soil models. The results from numerical analysis showed that lateral deflection was decreased with fixed condition of pile head and decreasing the soil-pile rigidity. The seismic analysis using Bi-linear model of JRA could reasonably predict the lateral behavior of Single Column/Shaft.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.2
s.72
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pp.187-194
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2006
Generally, earthquake-resistant structural systems have to ensure the sufficient stiffness and ductility for stability In this paper, the spatial structures are applied an isolation system to boundary parts between roof systems and sub-structures. So, it is necessary to examine the characteristics of dynamic behaviors of spatial structures governed by higher modes rather than lower modes different from the cases of high-rise buildings. The objectives of this paper are to develop the equivalent lumped mass model to simplify an analytical processes and to investigate the dynamic behaviors of roof systems according to the mass and stiffness of sub-structures as a fundamental study of performance design for the spatial structures.
Reisi, Alireza;Mirdamadi, Hamid Reza;Rahgozar, Mohammad Ali
Earthquakes and Structures
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v.18
no.5
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pp.637-648
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2020
In this study, a new steel cylindrical shell configuration of the dissipative energy device is proposed to improve lateral ductility and to reduce the damage of the structures against seismic forces. Four nested-eccentric- cylindrical shells are used to constructing this device; therefore, this proposed device is named nested-eccentric-cylindrical shells damper (NECSD). The particular configuration of the nested-eccentric-cylindrical shells is applied to promote the mechanical characteristics, stability, and overall performance of the damper in cyclic loads. Shell-type components are performed as a combination of series and parallel non-linear springs into the in-plan plastic deformation. Numerical analysis with respect to dimensional variables are used to calculate the mechanical characteristics of the NECSD, and full-scale testing is conducted for verifying the numerical results. The parametric study shows the NECSD with thin shells were more flexible, while devices with thick shells were more capacious. The results from numerical and experimental studies indicate that the NECSD has a stable behavior in hysteretic loops with highly ductile performance, and can provide appropriate dissipated energy under cyclic loads.
A semi-active mass damping (SMD) system with magnetorheological (MR) dampers focusing on low- and mid-rise buildings is proposed in this paper. The main purpose of this study is to integrate the reliable characteristics of the traditional tuned mass damper (TMD) and the superior performance of the active mass damper (AMD) to the new system. In addition, the commonly seen solution of deploying dense seismic dampers throughout the structure nowadays to protect the main structure is also expected to switch to the developed SMD system on the roof with a similar reduction performance. In order to demonstrate this concept, a full-size three-story steel building representing a typical mid-rise building was used as the benchmark structure to verify its performance in real life. A numerical model with the interpolation technique integrated was first established to accurately predict the behavior of the MR dampers. The success of the method was proven through a performance test of the designated MR damper used in this research. With the support of the MR damper model, a specific control algorithm using a continuous-optimal control concept was then developed to protect the main structure while the response of the semi-active mass damper is discarded. The theoretical analysis and the experimental verification from a shaking table test both demonstrated the superior mitigation ability of the method. The proposed SMD system has been demonstrated to be readily implemented in practice.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.6
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pp.26-37
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2019
This paper aims to investigate the seismic characteristics of strip-type damping devices possessing optimized shapes for the moment-resisting mechanism throughout analytical and experimental studies. Predicting equations for initial stiffness and yielding strength were introduced and compared with analytical results obtained from finite element analyses (FEAs) using commercial FEA program ABAQUS. In order for establishing predicting equations, two idealized processes were considered and both predicting equations showed that they could provide enough approximations for seismic applications in building structures. Throughout experimental studies, it was noted that structural uncertainties on mild steels, connection details and structural types linking damping devices with building structures could interrupt predicting structural behavior of the devices. Also, it was observed that shear stress concentrations should be considered if shear yielding type devices are applied into building structures. Nevertheless, it was shown that structural conservatism can be established using the predicting equations and seismic applications of the damping devices can enhance the seismic performance of building structures efficiently in the viewpoint that they have high resistance to low-cycle fatigue failures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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