In this paper, we present an alternative seismic design strategy for cable stayed bridges with concrete pylons when subjected to strong ground motions. The comparison of conventional seismic design using supplemental dampers (strategy A) and the new strategy using nonlinear seismic design of pylon columns (strategy B) is exemplified by one typical medium span cable stayed bridge subjected to strong ground motions from 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake and 2008 China Wenchuan earthquake. We first conducted the optimization of damper parameters according to strategy A in response to the distinct features that strong ground motions contain. And then we adopted strategy B to carry out seismic analysis by introducing the elastic-plastic elements that allowing plasticity development in the pylon columns. The numerical results show that via strategy A, the earthquake induced structural responses can be kept in the desired range provided with the proper damping parameters, however, the extra cost of unusual dampers will be inevitable. For strategy B, the pylon columns may not remain elastic and certain plasticity developed, but the seismic responses of the foundation will be greatly decreased, meanwhile, the displacement at the top of pylon seems to be not affected much by the yielding of pylon columns, which indicates the pylon nonlinear design can be an alternative design strategy when strong ground motions have to be considered for the bridge.
Nohutcu, H.;Hokelekli, E.;Ercan, E.;Demir, A.;Altintas, G.
Structural Engineering and Mechanics
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v.64
no.5
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pp.653-660
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2017
The aim of this study is to accurately estimate seismic damage and the collapse mechanism of the historical stone masonry minaret "Hafsa Sultan", which was built in 1522. Surveying measurements and material tests were conducted to obtain a 3D solid model and the mechanical properties of the components of the minaret. The initial Finite Element (FE) model is analyzed and numerical dynamic characteristics of the minaret are obtained. The Operational Modal Analysis (OMA) method is conducted to obtain the experimental dynamic characteristics of the minaret and the initial FE model is calibrated by using the experimental results. Then, linear time history (LTH) and nonlinear time history (NLTH) analyses are carried out on the calibrated FE model by using two different ground motions. Iron clamps which used as connection element between the stones of the minaret considerably increase the tensile strength of the masonry system. The Concrete Damage Plasticity (CDP) model is selected in the nonlinear analyses in ABAQUS. The analyses conducted indicate that the results of the linear analyses are not as realistic as the nonlinear analysis results when compared with existing damage.
It generally accepted that most building structures shall exhibit a nonlinear response when subjected to medium-high intensity earthquakes. It is currently known, however, that this phenomenon is not properly modelled in the majority of cases, especially at the design stage, where only simple linear methods have effectively been used. Recently, as a result of the exponential progress of computational tools, nonlinear modelling and analysis have gradually been brought to a more promising level. A wide range of modelling alternatives developed over the years is hence at the designer's disposal for the seismic design and assessment of engineering structures. The objective of the study presented herein is to test some of these models in an existing structure, and observe their performance in nonlinear static and dynamic analyses. This evaluation is done by the use of two of a known range of advanced computer programs: SAP2000 and SeismoStruct. The different models will focus on the element flexural mechanism with both lumped and distributed plasticity element models. In order to appraise the reliability and feasibility of each alternative, the programs capabilities and the amount of labour and time required for modelling and performing the analyses are also discussed. The results obtained show the difficulties that may be met, not only in performing nonlinear analyses, but also on their dependency on both the chosen nonlinear structural models and the adopted computer programs. It is then suggested that these procedures should only be used by experienced designers, provided that they are aware of these difficulties and with a critical stance towards the result of the analyses.
Akhaveissy, A.H.;Desai, C.S.;Mostofinejad, D.;Vafai, A.
Computers and Concrete
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v.11
no.2
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pp.123-148
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2013
The nonlinear finite element method with eight noded isoparametric quadrilateral element for concrete and two noded element for reinforcement is used for the prediction of the behavior of reinforcement concrete structures. The disturbed state concept (DSC) including the hierarchical single surface (HISS) plasticity model with associated flow rule with modifications is used to characterize the constitutive behavior of concrete both in compression and in tension which is named DSC/HISS-CT. The HISS model is applied to shows the plastic behavior of concrete, and DSC for microcracking, fracture and softening simulations of concrete. It should be noted that the DSC expresses the behavior of a material element as a mixture of two interacting components and can include both softening and stiffening, while the classical damage approach assumes that cracks (damage) induced in a material treated acts as a void, with no strength. The DSC/HISS-CT is a unified model with different mechanism, which expresses the observed behavior in terms of interacting behavior of components; thus the mechanism in the DSC is much different than that of the damage model, which is based on physical cracks which has no strength and interaction with the undamaged part. This is the first time the DSC/HISS-CT model, with the capacity to account for both compression and tension yields, is applied for concrete materials. The DSC model allows also for the characterization of non-associative behavior through the use of disturbance. Elastic perfectly plastic behavior is assumed for modeling of steel reinforcement. The DSC model is validated at two levels: (1) specimen and (2) practical boundary value problem. For the specimen level, the predictions are obtained by the integration of the incremental constitutive relations. The FE procedure with DSC/HISS-CT model is used to obtain predictions for practical boundary value problems. Based on the comparisons between DSC/HISS-CT predictions, test data and ANSYS software predictions, it is found that the model provides highly satisfactory predictions. The model allows computation of microcracking during deformation leading to the fracture and failure; in the model, the critical disturbance, Dc, identifies fracture and failure.
When reinforced concrete structures are subjected to strong seismic forces, their beam-column connections are very susceptible to be damaged during the earthquake event. Consequently, structural designers try to fit an important quantity of steel reinforcement inside the connection, complicating its construction without a clear justification for this. The aim of this work is to evaluate -and demonstrate- numerically how the quantity and the array of the internal steel reinforcement influences on the nonlinear response of the RC beam-column connection. For this, two specimens (extracted from an experimental test of 12 RC beam-column connections reported in literature) were modeled in the Finite Element code FEAP considering different stirrup's arrays. The nonlinear response of the RC beam-column connection is evaluated taking into account the nonlinear thermodynamic behavior of each component: a damage model is used for concrete; a classical plasticity model is adopted for steel reinforcement; the steel-concrete bonding is considered perfect without degradation. At the end, the experimental responses obtained in the tests are compared to the numerical results, as well as the distribution of shear stresses and damage inside the concrete core of the beam-column connection, which are analyzed for a low and high state of confinement.
Sixteen concrete filled square CFRP-steel tubular (S-CFRP-CFST) stub columns under axial compression were experimentally investigated. The experimental results showed that the failure mode of the specimens is strength loss of the materials, and the confined concrete has good plasticity due to confinement of the CFRP-steel composite tube. The steel tube and CFRP can work concurrently. The load versus longitudinal strain curves of the specimens can be divided into 3 stages, i.e., elastic stage, elasto-plastic stage and softening stage. Analysis based on finite element method showed that the longitudinal stress of the steel tube keeps almost constant along axial direction, and the transverse stress at the corner of the concrete is the maximum. The confinement effect of the outer tube to the concrete is mainly focused on the corner. The confinements along the side of the cross-section and the height of the specimen are both non-uniform. The adhesive strength has little effect both on the load versus longitudinal strain curves and on the confinement force versus longitudinal strain curves. With the increasing of the initial stress in the steel tube, the load carrying capacity, the stiffness and the peak value of the average confinement force are all reduced. Equation for calculating the load carrying capacity of the composite stub columns is presented, and the estimated results agree well with the experimental results.
Tests were conducted on two partially pre-stressed concrete solid beams subjected to combined loading of bending, shear and torsion. The beams were designed using the Direct Design Method which is based on the Lower Bound Theorem of the Theory of Plasticity. Both beams were of $300{\times}300mm$ cross-section and 3.8 m length. The two main variables studied were the ratio of the maximum shear stress due to the twisting moment, to the shear stress arising from the shear force, which was varied between 0.69 and 3.04, and the ratio of the maximum twisting moment to the maximum bending moment which was varied between 0.26 and 1.19. The required reinforcement from the Direct Design Method was compared with requirements from the ACI and the BSI codes. It was found that, in the case of bending dominance, the required longitudinal reinforcements from all methods were close to each other while the BSI required much larger transverse reinforcement. In the case of torsion dominance, the BSI method required much larger longitudinal and transverse reinforcement than the both the ACI and the DDM methods. The difference in the transverse reinforcement is more pronounce. Experimental investigation showed good agreement between design and experimental failure loads of the beams designed using the Direct Design Method. Both beams failed within an acceptable range of the design loads and underwent ductile behaviour up to failure. The results indicate that the Direct Design Method can be successfully used to design partially prestressed concrete solid beams which cater for the combined effect of bending, shear and torsion loads.
A large number of available concrete buildings designed only considering gravity load that require seismic rehabilitation because of failure to meet plasticity criteria. Using steel bracings are a common type of seismic rehabilitation. The eccentric bracings with vertical link reduce non-elastic deformation imposed on concrete members as well as elimination of probable buckling problems of bracings. In this study, three concrete frames of 10, 15, and 20 stories designed only for gravity load have been considered for seismic improvement using performance-based plastic design. Afterwards, nonlinear time series analysis was employed to evaluate seismic behavior of the models in two modes including before and after rehabilitation. The results revealed that shear link can yield desirable performance with the least time, cost and number of bracings of concrete frames. Also, it was found that the seismic rehabilitation can reduce maximum relative displacement in the middle stories about 40 to 80 percent. Generally, findings of this study demonstrated that the eccentric bracing with vertical link can be employed as a suitable proxy to achieve better seismic performance for existing high rise concrete frames.
When strong seismic forces act on reinforced concrete structures, their beam-column connections are very susceptible to damage during the earthquake event. The aim of this numerical work is to evaluate the influence of the internal steel reinforcement array on the nonlinear response of a RC beam-column connection when it is subjected to strong cyclic loading -as a seismic load. For this, two specimens (extracted from an experimental test of 12 RC beam-column connections reported in literature) were modeled in the Finite Element code FEAP considering different stirrup's arrays. In order to evaluate the nonlinear response of the RC beam-column connection, the 2D model takes into account the nonlinear thermodynamic behavior of each component: for concrete, a damage model is used; for steel reinforcement, it is adopted a classical plasticity model; in the case of the steel-concrete bonding, this one is considered perfect without degradation. At the end, we show a comparison between the experimental test's responses and the numerical results, which includes the distribution of shear stresses and damage inside the concrete core of the beam-column connection; in the other hand, the effects on the connection of a low and high state of confinement are analyzed for all cases.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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