The effects of past earthquakes have demonstrated the seismic vulnerability of confined masonry structures (CMSs) to earthquakes. The results of experimental analysis indicate that damage to these structures depends on lateral displacement applied to the walls. Seismic evaluation lacks an analytical approach because of the complexity of the behavior of this type of structure; an empirical approach is often used for this purpose. Seismic assessment and risk analysis of CMSs, especially in area have a large number of such buildings is difficult and could be riddled with error. The present study used analytical and numerical models to develop a simplified nonlinear displacement-based approach for seismic assessment of a CMS. The methodology is based on the concept of ESDOF and displacement demand and is compared with displacement capacity at the characteristic period of vibration according to performance level. Displacement demand was identified using the nonlinear displacement spectrum for a specified limit state. This approach is based on a macro model and nonlinear incremental dynamic analysis of a 3D prototype structure taking into account uncertainty of the mechanical properties and results in a simple, precise method for seismic assessment of a CMS. To validate the approach, a case study was considered in the form of an analytical fragility curve which was then compared with the precise method.
편심이 있는 구조물이 지진하중을 받는 경우 비틀림의 발생으로 특정부재에 응력 및 변위가 집중되고 이는 전혀 예상치 못한 구조물의 파괴를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 각 횡저항 부재의 한계 변위를 기반으로 하여 구조물 전체의 횡변위와 비틀림각의 관계도(D-R Relationship: Displacement-Rotation Relationship)를 작성하고 변위스펙트럼을 이용하여 내진성능평가를 수행하는 방법을 제안한다. 제안된 내진성능평가의 방법은 시간이력해석의 결과를 이용해서 검증하였다. 또한 다양한 지진수준에 대해 구조물의 다른 성능수준을 기준으로 하는 다단계 내진성능평가를 수행하였다. 최종적으로 그 결과를 기준으로 D-R 관계도를 이용한 내진보강 전략을 제시하였다. 내진보강은 각 부재의 강도/강성을 증가시키는 방법과 연성도를 증가시키는 두 가지의 방법을 사용하였다. 특히 강도/강성을 증가시키는 내진보강 전략에서는 보강의 최적화를 위하여 보강전략을 최적화 문제로 구성하고 BFGS Quasi-Newton method를 이용하여 최적보강전략을 수립하는 과정을 제시하였다.
Fox, Matthew J.;Sullivan, Timothy J.;Beyer, Katrin
Earthquakes and Structures
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제9권4호
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pp.911-936
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2015
This work evaluates the performance of a number of seismic assessment procedures when applied to a case study reinforced concrete (RC) wall building. The performance of each procedure is evaluated through its ability to accurately predict deformation demands, specifically, roof displacement, inter-storey drift ratio and wall curvatures are considered as the key engineering demand parameters. The different procedures include Direct Displacement-Based Assessment, nonlinear static analysis and nonlinear dynamic analysis. For the latter two approaches both lumped and distributed plasticity modelling are examined. To thoroughly test the different approaches the case study building is considered in different configurations to include the effects of unequal length walls and plan asymmetry. Recommendations are made as to which methods are suited to different scenarios, in particular focusing on the balance that needs to be made between accurate prediction of engineering demand parameters and the time and expertise required to undertake the different procedures. All methods are shown to have certain merits, but at the same time a number of the procedures are shown to have areas requiring further development. This work also highlights a number of key aspects related to the seismic response of RC wall buildings that may significantly impact the results of an assessment. These include the influence of higher-mode effects and variations in spectral shape with ductility demands.
The residual displacement ratio (RDRs) response spectra have been generally used as an important means to evaluate the post-earthquake repairability, and the ratios of residual to maximum inelastic displacement are considered to be more appropriate for development of the spectra. This methodology, however, assumes that the expected residual displacement can be computed as the product of the RDRs and maximum inelastic displacement, without considering the correlation between these two variables, which inevitably introduces potential systematic error. For providing an adequately accurate estimate of residual displacement, while accounting for the collapse resistance performance prior to the repairability evaluation, a probability-based procedure to estimate the residual displacement demands using the nonlinear static analysis (NSA) is developed for single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To this end, the energy-based equivalent damping ratio used for NSA is revised to obtain the maximum displacement coincident with the nonlinear time history analysis (NTHA) results in the mean sense. Then, the possible systematic error resulted from RDRs spectra methodology is examined based on the NTHA results of SDOF systems. Finally, the statistical relation between the residual displacement and the NSA-based maximum displacement is established. The results indicate that the energy-based equivalent damping ratio will underestimate the damping for short period ranges, and overestimate the damping for longer period ranges. The RDRs spectra methodology generally leads to the results being non-conservative, depending on post-yield stiffness. The proposed approach emphasizes that the repairability evaluation should be based on the premise of no collapse, which matches with the current performance-based seismic assessment procedure.
The high-temperature steam pipes of thermal power plants are subjected to severe conditions such as creep and fatigue due to the power plant frequently being started up and shut down. To prevent critical pipes from serious damage and possible failure, inspection methods such as computational analysis and online piping displacement monitoring have been developed. However, these methods are limited in that they cannot determine the life consumption rate of a critical pipe precisely. Therefore, we set out to develop a life assessment system, based on a three-dimensional piping displacement monitoring system, which is capable of evaluating the life consumption rate of a critical pipe. This system was installed at the "M" thermal power plant in Malaysia, and was shown to operate well in practice. The results of this study are expected to contribute to the increase safety of piping systems by minimizing stress and extending the actual life of critical piping.
Structures subjected to strong seismic excitation may undergo inelastic deformation cycles. The resulting cumulative fatigue damage process reduces the ability of structures and components to withstand seismic loads. Yet, the present earthquake resistance design methods focus mainly on the maximum displacement ductility, ignoring the effect of the cyclic responses. The damage parameters closely related to the cumulative damage need to be properly reflected on the aseismic design methods. In this study, two cumulative damage assessment methods derived from the plastic fatigue theory are investigated. The one is based on the hysteretic ductility amplitude, and the other is based on the dissipated hysteretic energy. Both methods can consider the maximum ductility and the cyclic behavior of structural response. The validity of two damage methods has been examined for single degree of freedom structures with various natural frequencies against two different earthquake excitations.
Force based design (FBD) approach is prevalent in most of the national seismic design codes world over. Direct displacement based design (DDBD) and energy based design (EBD) approaches are relatively new methods of seismic design which claims to be more rational and predictive than the FBD. These three design approaches are conceptually distinct and imparts different strength, stiffness and ductility property to structural members for same plan configuration. In present study behavioural assessment of frame of six storey RC building designed using FBD, DDBD and EBD approaches has been performed. Lateral storey forces distribution, reinforcement design and results of nonlinear performance using static and dynamic methods have been compared. For the three approaches, considerable difference in lateral storey forces distribution and reinforcement design has been observed. Nonlinear pushover analysis and time history analysis results show that in FBD frame plastic deformation is concentrated in the lower storey, in EBD frame large plastic deformation is concentrated in the middle storeys though the inelastic hinges are well distributed over the height and, in DDBD frame plastic deformation is approximately uniform over the height. Overall the six storey frame designed using DDBD approach seems to be more rational than the other two methods.
This research presents the design and numerical assessment of composite steel-concrete frame structures with welded dissipative fuses. The assessment has been carried out based on linear response spectrum, nonlinear static pushover and time history procedures. The analytical expressions which define the envelope of the nonlinear response of the dissipative fuses are first presented and calibrated against experimental results available in literature. The assessment is then carried out according to a design methodology proposed herein. Outcomes of the numerical assessment indicate that the use of welded dissipative fuses successfully limited damage within the replaceable parts. Furthermore, although structures with dissipative fuses present lower strength and, generally, lower displacement capacity, their displacement ductility and global dissipative performance are generally higher than conventional structures, especially when the structure with dissipative fuses presents a dissipative configuration adjusted to the bending moment distribution diagram calculated for the applied seismic action.
As the residual displacement and/or drift demands are commonly used for seismic assessment of buildings, the estimation of these values play a very critical role through earthquake design philosophy. The residual displacement estimation of fixed base structures has been the topic of numerous researches up to now, but the effect of soil flexibility is almost always omitted. In this study, residual displacement demands are investigated for SDOF systems with period range of 0.1-3.0 s for near-field and far-field ground motions for both fixed and interacting cases. The elastoplastic model is used to represent non-degrading structures. Based on time history analyses, a new simple yet effective equation is proposed for residual displacement demand of any system whether fixed base or interacting as a function of structural period, lateral strength ratio and spectral displacement.
There has been an increasing demand for introducing a base isolation system to secure the seismic safety of a nuclear power plant. However, the design criteria and the safety assessment methodology of a base isolated nuclear facility are still being developed. A performance based design concept for the base isolation system needs to be added to the general seismic design procedures. For the base isolation system, the displacement responses of isolators excited by the extended design basis earthquake are important as well as the design displacement. The possible displacement response by the extended design basis earthquake should be limited less than the failure displacement of the isolator. The failure of isolators were investigated by an experimental test to define the ultimate strain level of rubber bearings. The uncertainty analysis, considering the variations of the mechanical properties of isolators and input ground motions, was performed to estimate the probabilistic distribution of the isolator displacement. The relationship of the displacement response by each ground motion level was compared in view of a period elongation and a reduction of damping. Finally, several examples of isolator parameters are calculated and the considerations for an acceptable isolation design is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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