The research study is focuses on a form of all-bolted joint with the external ring stiffening plate in the prefabricated steel structure. The components are bolted at site after being fabricated in the factory. Six specimens were tested under cyclic loading, and the effects of column axial compression ratio, concrete-filled column, beam flange sub plate, beam web angle cleats, and spliced column on the failure mode, hysteretic behavior and ductility of the joints were analyzed. The results shown that the proposed all-bolted joint with external ring stiffening plate performed high bearing capability, stable inflexibility degradation, high ductility and plump hysteretic curve. The primary failure modes were bucking at beam end, cracking at the variable section of the external ring stiffening plate, and finally welds fracturing between external ring stiffening plate and column wall. The bearing capability of the joints reduced with the axial compression ratio increased. The use of concrete-filled steel tube column can increase the bearing capability of joints. The existence of the beam flange sub plate, and beam web angle cleat improves the energy dissipation, ductility, bearing capacity and original rigidity of the joint, but also increase the stress concentration at the variable section of the external reinforcing ring plate. The proposed joints with spliced column also performed desirable integrity, large bearing capacity, initial stiffness and energy dissipation capacity for engineering application by reasonable design.
In traditional eccentrically braced steel frames, damages and plastic deformations are limited to the links and the main structure members are required tremendous sizes to ensure elasticity with no damage based on the force-based seismic design method, this limits the practical application of the structure. The high strength steel frames with eccentric braces refer to Q345 (the nominal yield strength is 345 MPa) steel used for links, and Q460 steel utilized for columns and beams in the eccentrically brace steel frames, the application of high strength steels not only brings out better economy and higher strength, but also wider application prospects in seismic fortification zone. Here, the structures with four type eccentric braces are chosen, including K-type, Y-type, D-type and V-type. These four types EBFs have various performances, such as stiffness, bearing capacity, ductility and failure mode. To evaluate the seismic behavior of the high strength steel frames with variable eccentric braces within the similar performance objectives, four types EBFs with 4-storey, 8-storey, 12-storey and 16-storey were designed by performance-based seismic design method. The nonlinear static behavior by pushover analysis and dynamic performance by time history analysis in the SAP2000 software was applied. A total of 11 ground motion records are adopted in the time history analysis. Ground motions representing three seismic hazards: first, elastic behavior in low earthquake hazard level for immediate occupancy, second, inelastic behavior of links in moderate earthquake hazard level for rapid repair, and third, inelastic behavior of the whole structure in very high earthquake hazard level for collapse prevention. The analyses results indicated that all structures have similar failure mode and seismic performance.
Seo, Soo-Yeon;Kim, Jeong-Sik;Choi, Yun-Chul;Lee, Li-Hyung
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.9
no.3
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pp.213-220
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2005
Recently, a concern to verify the displacement capacity of shear wall has been arised to produce suitable data for the performance based design. In this paper, a process is presented to evaluate the displacement capacity of shear wall. The displacement of shear wall is expressed as the superposition of shear and flexural deformation. Variable crack angle truss model with a modification and sectional analysis method are used in calculating shear and flexural displacement, respectively. In addition, the effect of axial force and the contribution of vertical and horizontal reinforcements in wall are considered in the analysis. The accuracy of proposed method is evaluated by the comparison calculation results with previous test results. From the comparison, it was shown that the hysteretic behavior of shear wall could be well predicted by using the process. In the case with flange wall, however, the method overestimates the contribution of flange wall for strength and stiffness and underestimates for displacement capacity.
Caterino, Nicola;Georgakis, Christos T.;Spizzuoco, Mariacristina;Occhiuzzi, Antonio
Smart Structures and Systems
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v.18
no.1
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pp.75-92
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2016
The design of a semi-active (SA) control system addressed to mitigate wind induced structural demand to high wind turbine towers is discussed herein. Actually, the remarkable growth in height of wind turbines in the last decades, for a higher production of electricity, makes this issue pressing than ever. The main objective is limiting bending moment demand by relaxing the base restraint, without increasing the top displacement, so reducing the incidence of harmful "p-delta" effects. A variable restraint at the base, able to modify in real time its mechanical properties according to the instantaneous response of the tower, is proposed. It is made of a smooth hinge with additional elastic stiffness and variable damping respectively given by springs and SA magnetorheological (MR) dampers installed in parallel. The idea has been physically realized at the Denmark Technical University where a 1/20 scale model of a real, one hundred meters tall wind turbine has been assumed as case study for shaking table tests. A special control algorithm has been purposely designed to drive MR dampers. Starting from the results of preliminary laboratory tests, a finite element model of such structure has been calibrated so as to develop several numerical simulations addressed to calibrate the controller, i.e., to achieve as much as possible different, even conflicting, structural goals. The results are definitely encouraging, since the best configuration of the controller leaded to about 80% of reduction of base stress, as well as to about 30% of reduction of top displacement in respect to the fixed base case.
In this investigation, dynamic and bending behaviors of isolated protein microtubules are analyzed. Microtubules (MTs) can be considered as bio-composite structures that are elements of the cytoskeleton in eukaryotic cells and posses considerable roles in cellular activities. They have higher mechanical characteristics such as superior flexibility and stiffness. In the modeling purpose of microtubules according to a hollow beam element, a novel single variable sinusoidal beam model is proposed with the conjunction of modified strain gradient theory. The advantage of this model is found in its new displacement field involving only one unknown as the Euler-Bernoulli beam theory, which is even less than the Timoshenko beam theory. The equations of motion are constructed by considering Hamilton's principle. The obtained results are validated by comparing them with those given based on higher shear deformation beam theory containing a higher number of variables. A parametric investigation is established to examine the impacts of shear deformation, length scale coefficient, aspect ratio and shear modulus ratio on dynamic and bending behaviors of microtubules. It is remarked that when length scale coefficients are almost identical of the outer diameter of MTs, microstructure-dependent behavior becomes more important.
Park, Da Won;Koh, Kyung;Park, Yang Sun;Shim, Jae Kun
Korean Journal of Applied Biomechanics
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v.28
no.4
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pp.213-218
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2018
Objective: The purpose of this study was to examine the effect of the core muscle strength enhancement of the elderly on 8 weeks training using the core exercise equipment for the elderly on the ability to control the whole-body center of mass in posture stabilization. Method: 16 females (10 exercise group, 6 control group) participated in this study. Exercise group took part in the core strength training program for 8 weeks with total of 16 repetitions (2 repetitions per week) using a training device. External perturbation during standing as pulling force applied at the pelvic level in the anterior direction was provided to the subject. In a UCM model, the controller selects within the space of elemental variables a subspace (a manifold, UCM) corresponding to a value of a performance variable that needs to be stabilized. In the present study, we were interested in how movements of the individual segment center of mass (elemental variables) affect the whole-body center of mass (the performance variable) during balance control. Results: At the variance of task-irrelevant space, there was significant $test^*$ group interactions ($F_{1,16}=7.482$, p<.05). However, there were no significant main effect of the test ($F_{1,16}=.899$, p>.05) and group ($F_{1,16}=1.039$, p>.05). At the variance of task-relevant space, there was significant $test^*$ group interactions ($F_{1,16}=7.382$, p<.05). However, there were no significant main effect of the test ($F_{1,16}=.754$, p>.05) and group ($F_{1,16}=1.106$, p>.05). Conclusion: The results of this study showed that the 8 weeks training through the core training equipment for the elderly showed a significant decrease in the $Vcm_{TIR}$ and $Vcm_{TR}$. This result indicates that the core strength training affects the trunk stiffness control strategy to maintain balance in the standing position by minimizing total variability of individual segment CMs.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.6
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pp.559-567
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2012
A level set based topological shape optimization method for nonlinear structure considering hyper-elastic problems is developed. To relieve significant convergence difficulty in topology optimization of nonlinear structure due to inaccurate tangent stiffness which comes from material penalization of whole domain, explicit boundary for exact tangent stiffness is used by taking advantage of level set function for arbitrary boundary shape. For given arbitrary boundary which is represented by level set function, a Delaunay triangulation scheme is used for current structure discretization instead of using implicit fixed grid. The required velocity field in the actual domain to update the level set equation is determined from the descent direction of Lagrangian derived from optimality conditions. The velocity field outside the actual domain is determined through a velocity extension scheme based on the method suggested by Adalsteinsson and Sethian(1999). The topological derivatives are incorporated into the level set based framework to enable to create holes whenever and wherever necessary during the optimization.
Base isolation, one of the popular seismic protection approaches proven to be effective in practical applications, has been widely applied worldwide during the past few decades. As the techniques mature, it has been recognised that, the biggest issue faced in base isolation technique is the challenge of great base displacement demand, which leads to the potential of overturning of the structure, instability and permanent damage of the isolators. Meanwhile, drain, ventilation and regular maintenance at the base isolation level are quite difficult and rather time- and fund- consuming, especially in the highly populated areas. To address these challenges, a number of efforts have been dedicated to propose new isolation systems, including segmental building, additional storey isolation (ASI) and mid-storey isolation system, etc. However, such techniques have their own flaws, among which whipping effect is the most obvious one. Moreover, due to their inherent passive nature, all these techniques, including traditional base isolation system, show incapability to cope with the unpredictable and diverse nature of earthquakes. The solution for the aforementioned challenge is to develop an innovative vibration isolation system to realise variable structural stiffness to maximise the adaptability and controllability of the system. Recently, advances on the development of an adaptive magneto-rheological elastomer (MRE) vibration isolator has enlightened the development of adaptive base isolation systems due to its ability to alter stiffness by changing applied electrical current. In this study, an innovative semi-active storey isolation system inserting such novel MRE isolators between each floor is proposed. The stiffness of each level in the proposed isolation system can thus be changed according to characteristics of the MRE isolators. Non-dominated sorting genetic algorithm type II (NSGA-II) with dynamic crowding distance (DCD) is utilised for the optimisation of the parameters at isolation level in the system. Extensive comparative simulation studies have been conducted using 5-storey benchmark model to evaluate the performance of the proposed isolation system under different earthquake excitations. Simulation results compare the seismic responses of bare building, building with passive controlled MRE base isolation system, building with passive-controlled MRE storey isolation system and building with optimised storey isolation system.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.563-569
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2016
This paper presents the resizing method of columns and beams that considers column-to-beam strength ratios to simultaneously control the initial stiffness and ductility of steel moment frames. The proposed method minimizes the top-floor displacement of a structure while satisfying the constraint conditions with respect to the total structural weight and column-to-beam strength ratios. The design variable considered in this method is the sectional area of structural members, and the sequential quadratic programming(SQP) technique is used to obtain optimal results from the problem formulation. The unit load method is applied to determine the displacement participation factor of each member for the top floor lateral displacement; based on this, the sectional area of each member undergoes a resizing process to minimize the top-floor lateral displacement. Resizing members by using the displacement participation factor of each member leads to increasing the initial stiffness of the structure. Additionally, the proposed method enables the ductility control of a structure by adjusting the column-to-beam strength ratio. The applicability of the proposed optimal drift design method is validated by applying it to the steel moment frame example. As a result, it is confirmed that the initial stiffness and ductility could be controlled by the proposed method without the repetitive structural analysis and the increment of structural weights.
Kim, Dong Baek;Kim, In Bae;Kim, Jong Hoon;Lee, Jae Won
Journal of the Society of Disaster Information
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v.15
no.2
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pp.292-300
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2019
Purpose: To reduce the noise and vibration of reinforced concrete slab structures, the damping performance is to be performed experimentally after installing hollow core or filling it with liquid. Method: Using the hollow rate as an experimental variable, the damping ratio and stiffness of each test specimen at impact load are obtained to determine the difference between the damping ratio and stiffness of the numerical analysis. In addition, the damping effects are reviewed by comparing the difference in the damping ratio and stiffness of a test specimen filled with liquid 50% of the study. Results: Since the difference in resistance between a specimen with or without hollow core is 5%, it is judged that there is no structural problem, and the injection of liquid into the hollow core can increase the damping ratio, which can reduce noise or vibration. Conclusion: At less than 20% of hollow rate, there was little damping effect, and at 30%, damping effect was found. However, if liquid is injected into the hollow core of the specimen, damping rate is shown to increase, and the injection of liquid into the hollow part is believed to reduce noise or vibration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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