Ku, C.J.;Tamura, Y.;Yoshida, A.;Miyake, K.;Chou, L.S.
Wind and Structures
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v.16
no.2
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pp.157-178
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2013
Output-only modal parameter identification is based on the assumption that external forces on a linear structure are white noise. However, harmonic excitations are also often present in real structural vibrations. In particular, it has been realized that the use of forced acceleration responses without knowledge of external forces can pose a problem in the modal parameter identification, because an external force is imparted to its impulse acceleration response function. This paper provides a three-stage identification procedure as a solution to the problem of harmonic and white noise excitations in the acceleration responses of a linear dynamic system. This procedure combines the uses of the mode indicator function, the complex mode indication function, the enhanced frequency response function, an iterative rational fraction polynomial method and mode shape inspection for the correlation-related functions of the force-embedded acceleration responses. The procedure is verified via numerical simulation of a five-floor shear building and a two-dimensional frame and also applied to ambient vibration data of a large-span roof structure. Results show that the modal parameters of these dynamic systems can be satisfactorily identified under the requirement of wide separation between vibration modes and harmonic excitations.
The application of shape memory alloys (SMAs) to the seismic response reduction of civil engineering structures has attracted growing interest due to their self-centering feature and excellent fatigue performance. The loading rate dependence of SMAs raises a concern in the seismic analysis of SMA-based devices. However, the implementation of micromechanics-based strain-rate-dependent constitutive models in structural analysis software is rather complicated and computationally demanding. This paper investigates the feasibility of replacing complex rate-dependent models with rate-independent constitutive models for superelastic SMA elements in seismic time-history analysis. Three uniaxial constitutive models for superelastic SMAs, including one rate-dependent thermomechanical model and two rate-independent phenomenological models, are considered in this comparative study. The pros and cons of the three nonlinear constitutive models are also discussed. A parametric study of single-degree-of-freedom systems with different initial periods and strength reduction factors is conducted to examine the effect of the three constitutive models on seismic simulations. Additionally, nonlinear time-history analyses of a three-story prototype steel frame building with special SMA-based damping braces are performed. Two suites of seismic records that correspond to frequent and design basis earthquakes are used as base excitations in the seismic analyses of steel-braced frames. The results of this study show that the rate-independent constitutive models, with their parameters properly tuned to dynamic test data, are able to predict the seismic responses of structures with SMA-based seismic response modification devices.
In vertical seismic isolation (VSI), a building is partitioned intentionally by vertical layers into two dynamically different substructures for seismic response reduction. Initially, a 1-story frame was partitioned into two substructures, interconnected by viscous and visco-elastic links, and seismic responses of the original and the vertically isolated structures (VIS) were obtained, considering a large number of stiffness and mass ratios of substructures with respect to the original structure. Color contour graphs were defined for presentation and investigation of large amounts of output results. Dynamic characteristics of the isolated structures were studied by considering the non-classical damping of the system, and then the effects of viscous and visco-elastic link parameters on the modal damping ratios were discussed. On this basis, three states of mass isolation, interactional state, and control mass were differentiated. Response history analyses were performed by Runge-Kutta numerical method. In these analyses, interaction of isolation ratios and link parameters, on response control of VIS was studied and the appropriate ranges for link parameters as well as the optimal ranges for isolation ratios were suggested. Results show that by using the VSI technique, seismic response reduction up to 50% in flexible substructure and even more in stiff substructure is achievable.
In current seismic design codes, various elastic design acceleration spectra are defined considering different seismological and soil characteristics and are widely used tool for calculation of seismic loads acting on structures. Response spectrum analyses directly use the elastic design acceleration spectra whereas time history analyses use acceleration records of earthquakes whose acceleration spectra fit the design spectra of seismic codes. Due to the fact that obtaining coherent structural response quantities with the seismic design code considerations is a desired circumstance in dynamic analyses, the response spectra of earthquake records used in time history analyses had better fit to the design acceleration spectra of seismic codes. This paper evaluates structural response distributions of multi-story reinforced concrete frames obtained from nonlinear time history analyses which are performed by using the scaled earthquake records compatible with various elastic design spectra. Time domain scaling procedure is used while processing the response spectrum of real accelerograms to fit the design acceleration spectra. The elastic acceleration design spectra of Turkish Seismic Design Code 2007, Uniform Building Code 1997 and Eurocode 8 are considered as target spectra in the scaling procedure. Soil classes in different seismic codes are appropriately matched up with each other according to $V_{S30}$ values. The maximum roof displacements and the total base shears of considered frame structures are determined from nonlinear time history analyses using the scaled earthquake records and the results are presented by graphs and tables. Coherent structural response quantities reflecting the influence of elastic design spectra of various seismic codes are obtained.
Mathison, Chris;Roy, Krishanu;Clifton, G. Charles;Ahmadi, Amin;Masood, Rehan;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.31
no.5
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pp.453-467
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2019
Portal frame structures, made up of cold-formed steel trusses, are increasingly being used for lightweight building construction. A novel pin-jointed moment connector, called the Howick Rivet Connector (HRC), was developed and tested previously in T-joints and truss assemblage to determine its reliable strength, stiffness and moment resisting capacity. This paper presents an experimental study on the HRC, in moment resisting cold-formed steel trusses. The connection method is devised where intersecting truss members are confined by a gusset connected by HRCs to create a rigid moment connection. In total, three large scale experiments were conducted to determine the elastic capacity and cyclic behaviour of the gusseted truss moment connection comprising HRC connectors. Theoretical failure loads were also calculated and compared against the experimental failure loads. Results show that the HRCs work effectively at carrying high shear loads between the members of the truss, enabling rigid behaviour to be developed and giving elastic behaviour without tilting up to a defined yield point. An extended gusset connection has been proposed to maximize the moment carrying capacity in a truss knee connection using the HRCs, in which they are aligned around the perimeter of the gusset to maximize the moment capacity and to increase the stability of the truss knee joint.
Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design
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v.34
no.10
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pp.107-118
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2018
Cedric price is an architect and educator who have had an influence on architectural thinking through teaching and projects, rather than completed buildings. The purpose of this study was to analyze the architecture of Cedric Price in terms of time. Time was an important factor to understand his architecture along with his interest in technology, so most of his architectural thinking and methodology - anti-architecture, programmatic indeterminacy, a philosophy of enabling and so on, could be explained under the consideration of time. Depending on how he considered and used the concept of time, his projects could be categorized into two groups; The first group was related to the change over time, and this group again divided into three sub categories; change of user's preference, change of external environment, and change over building lifetime. The second group was related to planning of time, which could be divided again into two categories; programmatic planning and the usage planning during the period. This categorization could provide a frame to look into his architecture, through which his projects showed the limitation in modern architecture and the possibility for contemporary architecture.
Hidayat, Banu A.;Hu, Hsuan-Teh;Hsiao, Fu-Pei;Han, Ay Lie;Pita, Panapa;Haryanto, Yanuar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.6
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pp.485-498
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2020
Non-ductile detailing of Reinforced Concrete (RC) frames may lead to structural failure when the structure is subjected to earthquake response. These designs are generally encountered in older RC frames constructed prior to the introduction of the ductility aspect. The failure observed in the beam-column joints (BCJs) and accompanied by excessive column damage. This work examines the seismic performance and failure mode of non-ductile designed RC columns and exterior BCJs. The design was based on the actual building in Tainan City, Taiwan, that collapsed due to the 2016 Meinong earthquake. Hence, an experimental investigation using cyclic testing was performed on two columns and two BCJ specimens scaled down to 50%. The experiment resulted in a poor response in both specimens. Excessive cracks and their propagation due to the incursion of the lateral loads could be observed close to the top and bottom of the specimens. Joint shear failure appeared in the joints. The ductility of the member was below the desired value of 4. This is the minimum number required to survive an earthquake with a similar magnitude to that of El Centro. The evidence provides an understanding of the seismic failure of poorly detailed RC frame structures.
Most of high-rise buildings in Japan*1 are structure with damping systems recently. The design procedure is performance-based design (PBD), which is based on the nonlinear response history procedure (NRHP) using 2 or 3-dimentional frame model. In addition, hysteretic property of steel plates or velocity-dependent property of viscous dampers are common practice for the damping system. However, for the selection of damping system, the easy dynamic analysis of recent date may lead the most of engineers to focus attention on the maximum response only without thinking how it shakes. By nature, the seismic design shall be to figure out the action of inertia forces by complex & dynamic loads including periodic and pulse-like characteristics, what we call seismic ground motion. And it shall be done under the dynamic condition. On the contrary, we engineers engineers have constructed the easy-to-use static loads and devoted ourselves to handle them. The structures with damping system shall be designed considering how the stiffness & damping to be applied to the structures against the inertia forces with the viewpoint of dynamic aspect. In this paper we reconsider the role of damping in vibration and give much thought to the basic of shake with damping from a standpoint of structural design. Then, we present some design examples based on them.
In this article, the role of spans number and length in fire-resistance ratings (FRRs) of fireproofed steel frames are investigated. First, over a span-lengthening scenario, two one- and three-bay frames under the ISO834 fire are examined. It is shown that the FRRs of the frames rely highly on the changes made on their span length. Second, a building designed for three spans number of three, four, and five under natural fire is investigated. The beams are designed for two load-capacity-ratios (LCRs) of optimum and ultimate. The fire curves are determined through a probabilistic-based approach. It is shown that the structural vulnerability vastly increases while the number of spans decreases. The results show that for an optimum LCR, while the five-span frame can meet the required FRR in 87% of the fire scenarios, the four- and three-span frames can meet the required FRR in only 56%, and 50% of the fire scenarios, respectively. For an ultimate LCR, the five-, four- and three-span frames can meet the required FRR in 81%, 50%, and 37.5% of the fire scenarios, respectively. Functional solutions are then proposed to resolve the insufficiencies in the results and to rectify the application of the standard-based FRRs in the cases studied. The study here highlights how employing current standard-based FRRs can endanger structural safety if they are not connected to structural characteristics; a crucial hint specifically for the structural engineering community who may be not well familiar with the fundamentals of performance-based approaches.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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