Kara, Ilker Fatih;Ashour, Ashraf F.;Dundar, Cengiz
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.5
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pp.669-681
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2017
The design of reinforced concrete buildings must satisfy the serviceability stiffness criteria in terms of maximum lateral deflections and inter story drift in order to prevent both structural and non-structural damages. Consideration of plastic hinge formation is also important to obtain accurate failure mechanism and ultimate strength of reinforced concrete frames. In the present study, an iterative procedure has been developed for the analysis of reinforced concrete frames with cracked elements and consideration of plastic hinge formation. The ACI and probability-based effective stiffness models are used for the effective moment of inertia of cracked members. Shear deformation effect is also considered, and the variation of shear stiffness due to cracking is evaluated by reduced shear stiffness models available in the literature. The analytical procedure has been demonstrated through the application to three reinforced concrete frame examples available in the literature. It has been shown that the iterative analytical procedure can provide accurate and efficient predictions of deflections and ultimate strength of the frames studied under lateral and vertical loads. The proposed procedure is also efficient from the viewpoint of computational time and convergence rate. The developed technique was able to accurately predict the locations and sequential development of plastic hinges in frames. The results also show that shear deformation can contribute significantly to frame deflections.
Koubova, Lenka;Janas, Petr;Markopoulos, Alexandros;Krejsa, Martin
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.755-765
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2019
This study examined geometric and physical nonlinear analyses of beams and arches specifically from rolled profiles used in mining and underground constructions. These profiles possess the ability to create plastic hinges owing to their robustness. It was assumed that displacements in beams and arches fabricated from these profiles were comparable with the size of the structure. It also considered changes in the shape of a rod cross-section and the nonlinearities of the structure. The analyses were based on virtual unit moments, effective flexural rigidity of used open sections, and a secant method. The use of the approach led to a solution for the "after-critical" condition in which deformation increased with decreases in loads. The solution was derived for static determinate beams and static indeterminate arches. The results were compared with results obtained in other experimental tests and methods.
Mahmoudabadi, Vahidreza;Bahar, Omid;Jafari, Mohammad Kazem;Safiey, Amir
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.4
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pp.445-458
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2019
This study mainly aims to assess the performance of soil-structure systems designed by direct displacement-based method coupled with strong column-weak beam design concept through various system identification techniques under strong ground motions. To this end, various system identification methods are employed to evaluate the dynamic characteristics of a structure (i.e., modal frequency, system damping, mode shapes, and plastic hinge formation pattern) under a strong seismic excitation considering soil-structure interaction for different site conditions as specified by ASCE 7-10. The scope of the study narrowed down to the code-complying low- to high-rise steel moment resisting frames with various heights (4, 8, 12, 16-story). The comparison of the result of soil-structure systems with fix-based support condition indicates that the modal frequencies of these systems are highly influenced by the structure heights, specifically for the softer soils. This trend is more significant for higher modes of the system which can considerably dominate the response of structures in which the higher modes have more contribution in dynamic response. Amongst all studied modes of the vibration, the damping ratio estimated for the first mode is relatively the closet to the initial assumed damping ratios. Moreover, it was found that fewer plastic hinges are developed in the structure of soil-structure systems with a softer soil which contradicts the general expectation of higher damageability of such structural systems.
The progressive collapse phenomenon is generally regarded as dynamic. Due to the impracticality of nonlinear dynamic computations for practitioners, an interest arises for the development of equivalent static pushover procedures. The present paper proposes a methodology to identify such a procedure for sudden column removals, using energetic evaluations to determine the pushover loads to apply. In a dynamic context, equality between the cumulated external and internal works indicates a vanishing kinetic energy. If such a state is reached, the structure is sometimes assumed able to withstand the column removal. Approximations of these works can be estimated using a static computation, leading to an estimate of the displacements at the zero kinetic energy configuration. In comparison with other available procedures based on such criteria, the present contribution identifies loading patterns to associate with the zero-kinetic energy criterion to avoid a single-degree-of-freedom idealisation. A parametric study over a family of regular steel structures of varying sizes uses non-linear dynamic computations to assess the proposed pushover loading pattern for the cases of central and lateral ground floor column failure. The identified quasi-static loading schemes are shown to allow detecting nearly all dynamically detected plastic hinges, so that the various beams are provided with sufficient resistance during the design process. A proper accuracy is obtained for the plastic rotations of the most plastified hinges almost independently of the design parameters (loads, geometry, robustness), indicating that the methodology could be extended to provide estimates of the required ductility for the beams, columns, and beam-column connections.
The beam-column assembly in a ductile reinforced concrete (RC) frames subjected to seismic loading are generally controlled by shear and bond mechanisms, both of which exhibit poor hysteretic properties. Hence the response of joints is restricted essentially to the elastic domain. The usual earthquake resistant design philosophy of ductile frame buildings allows the beams to form plastic hinges adjacent to beam-column assembly. Increased strain in these plastic hinge regions affect on joint strain to be increased. Thus bond and shear joint strength are decreased. The research reported in this paper presents the test results of five RC beam-column assembly after developing plastic hinges in beams. Main parameter of the test Joints was the amount of the longitudinal tensile reinforcement of the beams. Test results indicted that the ductile capacity of joints increased as the longitudinal tensile reinforcement of the beams decreased. In addition, both the tensile strain of the longitudinal reinforcement bars in the joint and the ductile ratio of the beam-column assemblages increased due to the yielding of steel bars in the plastic hinge regions.
Considerable part of reinforced concrete building has suffered from destructive earthquakes in Turkey. This situation makes necessary to determine nonlinear behavior and seismic performance of existing RC buildings. Inelastic response of buildings to static and dynamic actions should be determined by considering both flexural plastic hinges and brittle shear hinges. However, shear capacities of members are generally neglected due to time saving issues and convergence problems and only flexural response of buildings are considered in performance assessment studies. On the other hand, recent earthquakes showed that the performance of older buildings is mostly controlled by shear capacities of members rather than flexure. Demand estimation is as important as capacity estimation for the reliable performance prediction in existing RC buildings. Demand estimation methods based on strength reduction factor (R), ductility (${\mu}$), and period (T) parameters ($R-{\mu}-T$) and damping dependent demand formulations are widely discussed and studied by various researchers. Adopted form of $R-{\mu}-T$ based demand estimation method presented in Eurocode 8 and Turkish Earthquake Code-2007 and damping based Capacity Spectrum Method presented in ATC-40 document are the typical examples of these two different approaches. In this study, eight different existing RC buildings, constructed before and after Turkish Earthquake Code-1998, are selected. Capacity curves of selected buildings are obtained with and without considering the brittle shear capacities of members. Seismic drift demands occurred in buildings are determined by using both $R-{\mu}-T$ and damping based estimation methods. Results have shown that not only capacity estimation methods but also demand estimation approaches affect the performance of buildings notably. It is concluded that including or excluding the shear capacity of members in nonlinear modeling of existing buildings significantly affects the strength and deformation capacities and hence the performance of buildings.
Chalioris, Constantin E.;Voutetaki, Maristella E.;Liolios, Angelos A.
Earthquakes and Structures
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v.19
no.1
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pp.29-44
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2020
The effectiveness and the sensitivity of a Wireless impedance/Admittance Monitoring System (WiAMS) for the prompt damage diagnosis of two single-storey single-span Reinforced Concrete (RC) frames under cyclic loading is experimentally investigated. The geometrical and the reinforcement characteristics of the RC structural members of the frames represent typical old RC frame structure without consideration of seismic design criteria. The columns of the frames are vulnerable to shear failure under lateral load due to their low height-to-depth ratio and insufficient transverse reinforcement. The proposed Structural Health Monitoring (SHM) system comprises of specially manufactured autonomous portable devices that acquire the in-situ voltage frequency responses of a network of twenty piezoelectric transducers mounted to the RC frames. Measurements of external and internal small-sized piezoelectric patches are utilized for damage localization and assessment at various and increased damage levels as the magnitude of the imposed lateral cycle deformations increases. A bare RC frame and a strengthened one using a pair of steel crossed tension-ties (X-bracing) have been tested in order to check the sensitivity of the developed WiAMS in different structural conditions since crack propagation, damage locations and failure mode of the examined frames vary. Indeed, the imposed loading caused brittle shear failure to the column of the bare frame and the formation of plastic hinges at the beam ends of the X-braced frame. Test results highlighted the ability of the proposed SHM to identify incipient damages due to concrete cracking and steel yielding since promising early indication of the forthcoming critical failures before any visible sign has been obtained.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.33
no.12
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pp.37-44
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2017
Due to structural characteristics, construction costs and duration of a modular system would be saved by minimizing the schedule on the job site. As such, it is crucial to develop a connection that can guarantee stiffness while allowing for simple assembling. Particularly, the mid- to high-rise construction of the modular system necessitates the securing of the structural stability and seismic performance of multi-unit frames and connections, and thus, the stiffness of unit-assembled structures needs to be re-evaluated and designed. However, evaluating a frame consisting of slender members and reinforcing materials is a complicated process. Therefore, the present study aims to examine the structural characteristics of a modular unit connection based a method for reinforcing connection brackets and hinges while minimizing the loss of the cross section. Toward this end, the study modeled the beam-to-column connection of a modular system with the proposed connection, and produced a specimen which was used to perform a cycling loading test. The study compared the initial stiffness, the attributes of the hysteretic behavior, and the maximum flexural moment, and observed whether the model acquired the seismic performance, compared to the flexural strength of the steel moment frame connection that is required by the Korean Building Code. The test results showed that the proposed connection produced a similar initial stiffness value to that of the theoretical equation, and its maximum strength exceeded the theoretical strength. Furthermore, the model with a larger ceiling bracket showed higher seismic performance, which was further increased by the reinforcement of the plate.
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 study focuses on seismic behaviour of tall piers characterized by high slender ratio. Two analysis models were developed based on elastic-plastic hinged beam element and elastic-plastic fiber beam element, respectively. The effect of the division density of elastic-plastic hinged beam element on seismic demand was discussed firstly to seek a rational analysis model for tall piers. Then structural seismic behaviour such as the formation of plastic hinges, the development of plastic zone, and the displacement at the top of the tall piers were investigated through incremental dynamic analysis. It showed that the seismic behaviour of a tall pier was quite different from that of a lower pier due to higher modes contributions. In a tall pier, an additional plastic zone may occur at the middle height of the pier with the increase of seismic excitation. Moreover, the maximum curvature reaction at the bottom section and maximum lateral displacement at the top turned out to be seriously out of phase for a tall pier due to the higher modes effect, and thus pushover analysis can not appropriately predict the local displacement capacity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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