In this paper, the cyclic behavior of steel beam-concrete encased steel (CES) column joints was investigated experimentally and numerically. Three frame middle joint samples with varying concrete slab widths were constructed. Anti-symmetrical low-frequency cyclic load was applied at two beam ends to simulate the earthquake action. The failure modes, hysteretic behavior, ultimate load, stiffness degradation, load carrying capacity degradation, displacement ductility and strain response were investigated in details. The three composite joints exhibited excellent seismic performance in experimental tests, showing high load-carrying capacity, good ductility and superior energy dissipation ability. All three joint samples reached their ultimate loads due to shear failure. Numerical results from ABAQUS modelling agreed well with the test results. Finally, the effect of the concrete slab on ultimate load was analyzed through a parametric study on concrete strength, slab thickness, as well as slab width. Numerical simulation showed that slab width and thickness played an important role in the load-carrying capacity of such joints. As a comparison, the influence of concrete grade was not significant.
The seismic performance of a coupled shear wall system is governed by the shear resistances of its coupling beams. The plate-reinforced composite (PRC) coupling beam is a newly developed form of coupling beam that exhibits high deformation and energy dissipation capacities. In this study, the shear capacity of plate-reinforced composite coupling beams was investigated. The shear strengths of PRC coupling beams with low span-to-depth ratios were calculated using a softened strut-and-tie model. In addition, a shear mechanical model and calculating method were established in combination with a multi-strip model. Furthermore, a simplified formula was proposed to calculate the shear strengths of PRC coupling beams with low span-to-depth ratios. An analytical model was proposed based on the force mechanism of the composite coupling beam and was proven to exhibit adequate accuracy when compared with the available test results. The comparative results indicated that the new shear model exhibited more reasonable assessment accuracy and higher reliability. This method included a definite mechanical model and reasonably reflected the failure mechanisms of PRC coupling beams with low span-to-depth ratios not exceeding 2.5.
Lee, Jeonghwa;Byun, Namju;Kang, Young Jong;Won, Deok Hee;Kim, Seungjun
Steel and Composite Structures
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v.43
no.4
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pp.431-445
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2022
A double-skinned composite tubular (DSCT) column, which is an internally confined concrete-filled tubular column with a hollow section, has been developed for efficient use of materials that reduce self-weight and enhance seismic performance. It exhibits excellent material behavior with ductility owing to the confinement induced by outer and inner steel tubes. This study conducted axial compression tests considering the effects of steel tube thickness and hollow diameter ratios of DSCT columns on the material behavior of confined concrete under pure axial compression on concrete cores. From the axial compression tests, various combinations of outer and inner tube thicknesses and two different hollow section ratios were considered. Additionally, confined concrete material behavior, axial strength, failure modes, and ductility of DSCT columns were evaluated. Based on this study, it was concluded that the tests show a good correlation with peak strength and shapes of nonlinear stress-strain curves presented in literature; however, the thinner outer and inner steel tubes may reduce the ductility of DSCT columns when using thinner outer and inner tubes and higher confined stress levels. Finally, the minimum thickness requirements of the steel tubes for DSCT columns were discussed in terms of strength and ductility of test specimens.
Unreinforced masonry (URM) buildings are extensively adopted in many of the growing nations, particularly in India. Window or door openings are required for architectural or functional reasons, which pose a threat to the building's safety. The past earthquakes have shown that the seismic capability of these structures was very weak. Strengthening these unreinforced masonry walls using welded wire mesh (WWM) is one of the most commonly and economical methods. The present experimental study investigates the impact of openings on the shear behaviour of URM walls and the effectiveness of WWM in enhancing the shear performance of masonry wall. In the experimental program 16 specimens were cast, 8 unstrengthen and 8 strengthened specimens, under 8 unstrengthen and strengthened specimens, every 2 specimens had 0%, 5%, 10%, and 15% openings and all these walls were tested under diagonal compression. The results show that the shear carrying capacity reduces as the opening percentage increases. However, strengthening the URM specimens using WWM significantly improves the peak load, shear strength, ductility, stiffness, and energy dissipation. Furthermore, the strengthening of the URM walls using WWM compensated the loss of wall capacity caused by the presence of the openings.
Zheng Lu;Mengyao Zhou;Jiawei Zhang;Zhikuang Huang;Sami F. Masri
Smart Structures and Systems
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v.31
no.5
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pp.455-467
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2023
Impact damper is a passive damping system that controls undesirable vibration with mass block impacting with stops fixed to the excited structure, introducing momentum exchange and energy dissipation. However, harmful momentum exchange may occur in the random excitation increasing structural response. Based on the mechanism of impact damping system, a semi-active impact damper (SAID) with controllable impact timing as well as a semi-active control strategy is proposed to enhance the seismic performance of engineering structures in this paper. Comparative experimental studies were conducted to investigate the damping performances of the passive impact damper and SAID. The extreme working conditions for SAID were also discussed and approaches to enhance the damping effect under high-intensity excitations were proposed. A numerical simulation model of SAID attached to a frame structure was established to further explore the damping mechanism. The experimental and numerical results show that the SAID has better control effect than the traditional passive impact damper and can effectively broaden the damping frequency band. The parametric studies illustrate the mass ratio and impact damping ratio of SAID can significantly influence the vibration control effect by affecting the impact force.
Yanmin Yang;Ying Xiong;Peng Wang;Xiangkun Meng;Tianyuan Cai
Earthquakes and Structures
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v.25
no.2
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pp.113-123
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2023
A novel type of buckling restrained brace with built-up angle steel was developed. The core segment was formed by welding angle steel, and the middle section was reduced by cutting technology to solve the problem that the end of BRB was easy to buckle. The experimental program has been undertaken to study the performance of BRBs with different unbonded materials (silica gel, kraft paper) and different filler materials (ordinary concrete, full light-weight concrete). Four specimens were designed and fabricated for low cycle reciprocating load tests to simulate horizontal seismic action. The failure mode, hysteretic curves, tension-compression unbalance coefficient and other mechanical parameters were compared and analyzed. The finite element software ABAQUS was used to conduct numerical simulation, and the simulation results were compared with the experimental phenomena. The test results indicated that the hysteretic curve of each specimen was plump. Sustaining cumulative strains of each specimen was greater than the minimum value of 200 required by the code, which indicated the ductility of BRB was relatively good. The energy dissipation coefficient of the specimen with silica gel as unbonded material was about 13% higher than that with kraft paper. The experimental results were in good agreement with the simulation results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.6
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pp.275-281
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2023
The demand for high-strength steel is rising due to its economic efficiency. Low-cycle fatigue (LCF) tests have been conducted to investigate the nonlinear behaviors of high-strength steel. Accurate material models must be used to obtain reliable results on seismic performance evaluation using numerical analyses. This study uses the combined hardening model to simulate the LCF behavior of high-strength steel. However, it is challenging and complex to determine material model parameters for specific high-strength steel because a highly nonlinear equation is used in the model, and several parameters need to be resolved. This study used the particle swarm algorithm (PSO) to determine the model parameters based on the LCF test data of HSA 650 steel. It is shown that the model with parameter values selected from the PSO accurately simulates the measured LCF curves.
Recently, many engineering computations have realized their digital transformation to Machine Learning (ML)-based systems. Predicting the behavior of a structure, which is mainly computed with structural analysis software, is an essential step before construction for efficient structural analysis. Especially in the seismic-based design procedure of the structures, predicting the lateral load capacity of reinforced concrete (RC) columns is a vital factor. In this study, a novel ML-based model is proposed to predict the maximum lateral load capacity of RC columns under varying axial loads or cyclic loadings. The proposed model is generated with a Deep Neural Network (DNN) and compared with traditional ML techniques as well as a popular commercial structural analysis software. In the design and test phases of the proposed model, 319 columns with rectangular and square cross-sections are incorporated. In this study, 33 parameters are used to predict the maximum lateral load capacity of each RC column. While some traditional ML techniques perform better prediction than the compared commercial software, the proposed DNN model provides the best prediction results within the analysis. The experimental results reveal the fact that the performance of the proposed DNN model can definitely be used for other engineering purposes as well.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.1
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pp.41-46
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2024
The current study investigates the seismic performance of shear-dominant RC columns retrofitted with iron-based shape memory alloy (Fe SMA). Three RC columns with insufficient transverse reinforcement were designed and fabricated for lateral cyclic loading tests. Before testing, two specimens were externally confined with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets and self-prestressed Fe SMA strips. The test results showed that both CFRP and Fe SMA performed well in preventing severe shear failure exhibited by the unretrofitted control specimen. Furthermore, the two retrofitted specimens showed ductile flexural responses up to the drift ratios of ±8%. In terms of damage control, however, the Fe SMA confinement was superior to CFRP confinement in that the spalling of concrete was much less and that the rupture of confinement did not occur.
In this study, to investigate the seismic performance of beam-column joints using concrete-encased and -filled circular steel tube(CEFT) columns, two types of tests were performed: (1) column - flange tension test and (2) beam - column joint cyclic load test. In column - flange tension test, test parameters were concrete encasement and connection details: flange width and strengthening rebar. Five specimens were tested to investigate the load-carrying capacity and the failure mode. Test results showed that increase of flange width from 200mm to 350mm result in increase of connection strength and stiffness by 61% and 56%, respectively. Structural performances were further improved with addition of tensile rebars by 35% and 92%, respectively. In cyclic loading test, three exterior beam-column joints were prepared. Test parameters were strengthening details including additional tensile rebars, thickened steel tube, and vertical plate connection. In all joint specimens, flexural yielding of beam was occurred with limited damages in the connection regions. In particular, flexural capacity of beam-column joint was increased due to additional load transfer through tube - beam web connection. Also, connection details such as increase of tube thickness and using vertical plate connection were effective in improving the resistance of panel zone.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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