There are many studies in the literature conducted on the subject of ensuring earthquake safety of reinforced concrete and steel structures using steel braced frames, but no detailed study concerning individual behavior of steel braced frames under earthquake loads and strengthening of reinforced concrete structures with out-of-plane steel braced frames has been encountered. In this study, in order to evaluate behaviors of "Concentrically Steel Braced Frames" types defined in TEC-2007 under lateral loads, dimensional analysis of Concentrically Steel Braced Frames designed with different scales and dimensions was conducted, the results were controlled according to TEC-2007, and after conducting static pushover analysis, behavior and load capacity of the Concentrically Steel Braced Frames and hinges sequence of the elements constituting the Concentrically Steel Braced Frames were tested. Concentrically Steel Braced Frames that were tested analytically consist of 2 storey and one bay, and are formed as two groups with the scales 1/2 and 1/3. In the study, Concentrically Steel Braced Frames described in TEC-2007 were designed, which are 7 types in total being non-braced, X-braced, V- braced, $\wedge$- braced, $\backslash$- braced, /- braced and K- braced. Furthermore, in order to verify accuracy of the analytic studies performed, the 1/2 scaled concentrically steel X-braced frame test element made up of box profiles and 1/3 scaled reinforced concrete frame with insufficient earthquake resistance were tested individually under lateral loads, and test results were compared with the results derived from analytic studies and interpreted. Similar results were obtained from both experimental studies and pushover analyses. According to pushover analysis results, load-carrying capacity of 1/3 scaled reinforced concrete frames increased up to 7,01 times as compared to the non-braced specimen upon strengthening. Results acquired from the study revealed that reinforced concrete buildings which have inadequate seismic capacity can be strengthened quickly, easily and economically by this method without evacuating them.
To study the effectiveness of sliding isolation in a CRLSS (concrete rectangular liquid-storage structure) and develop a reasonable limiting-device method, dynamic responses of non-isolation, sliding isolation with spring limiting-devices and sliding isolation with steel bar limiting-devices are comparatively studied by shaking table test. The seismic response reduction advantage of sliding isolation for concrete liquid-storage structures is discussed, and the effect of the limiting-device type on system dynamic responses is analyzed. The results show that the dynamic responses of sliding isolation CRLSS with steel bar-limiting devices are significantly smaller than that of sliding isolation CRLSS with spring-limiting devices. The structure acceleration and liquid sloshing wave height are greatly influenced by spring-limiting devices. The acceleration of the structure in this case is close to or greater than that of a non-isolated structure. Liquid sloshing shows stronger nonlinear characteristics. On the other hand, sliding isolation with steel bar-limiting devices has a good control effect on the structural dynamic response and the liquid sloshing height simultaneously. Thus, a limiting device is an important factor affecting the seismic response reduction effect of sliding isolation. To take full advantage of sliding isolation in a concrete liquid-storage structure, a reasonable design of the limiting device is particularly important.
Contemporary architectural structures have diverse and complex forms. Such structural variety demands requisite performance from the connections in the steel structure so that the latter could resist a horizontal force, such as an earthquake. The connections are the all-important components that create the discontinuous form and that support stress concentration, determining the stiffness and toughness of the entire steel frame. In this study, a real-scale column-to-beam connection was constructed in the 600MPa-grade high-strength and high-performance steel, to test its behavior. Its material and welding characteristics were examined in this study, and its structural performance was analyzed by conducting seismic-resistance tests on the full-scale, cross-shaped column-to-beam welded connections with non-scallop, ordinary-scallop, and reinforced-scallop details. The weld ability of the high-strength, high-performance steel was also evaluated, and data regarding the seismic design for practical application were provided.
In this study, a non-stationary random earthquake Clough-Penzien model is used to describe earthquake ground motion. Using stochastic direct integration in combination with an equivalent linear method, a solution is established to describe the non-stationary response of lead-rubber bearing (LRB) system to a stochastic earthquake. Two parameters are used to develop an optimization method for bearing design: the post-yielding stiffness and the normalized yield strength of the isolation bearing. Using the minimization of the maximum energy response level of the upper structure subjected to an earthquake as an objective function, and with the constraints that the bearing failure probability is no more than 5% and the second shape factor of the bearing is less than 5, a calculation method for the two optimal design parameters is presented. In this optimization process, the radial basis function (RBF) response surface was applied, instead of the implicit objective function and constraints, and a sequential quadratic programming (SQP) algorithm was used to solve the optimization problems. By considering the uncertainties of the structural parameters and seismic ground motion input parameters for the optimization of the bearing design, convex set models (such as the interval model and ellipsoidal model) are used to describe the uncertainty parameters. Subsequently, the optimal bearing design parameters were expanded at their median values into first-order Taylor series expansions, and then, the Lagrange multipliers method was used to determine the upper and lower boundaries of the parameters. Moreover, using a calculation example, the impacts of site soil parameters, such as input peak ground acceleration, bearing diameter and rubber shore hardness on the optimization parameters, are investigated.
The effects of the vertical component of a ground motion on the earthquake performances of semi-ductile high-rise R/C structures were investigated in the present study. Linear and non-linear time-history analyses were conducted on an existing in-service R/C building for the loading scenarios including and excluding the vertical component of the ground motion. The ratio of the vertical peak acceleration to the horizontal peak acceleration (V/H) of the ground motion was adopted as the main parameter of the study. Three different near-source earthquake records with varying V/H ratio were used in the analyses. The linear time-history analyses indicated that the incorporation of the vertical component of a ground motion into analyses greatly influences the vertical deflections of a structure and the overturning moments at its base. The lateral deflections, the angles of rotation and the base shear forces were influenced to a lesser extent. Considering the key indicators of vertical deflection and overturning moments determined from the linear time-history analysis, the non-linear analyses revealed that the changes in the forces and deformations of the structure with the inclusion of the vertical ground motion are resisted by the shear-walls. The performances and damage states of the beams were not affected by the vertical ground motion. The vertical ground motion component of earthquakes is markedly concluded to be considered for design and damage estimation of the vertical load-bearing elements of the shear-walls and columns.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.3
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pp.65-74
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2019
This study presents the optimal isolation period according to the number of vertically expended stories in order to provide the basic data for the application of the seismic isolation system in the vertically expended remodeling of the aged apartment. As a result of the structural analysis, the isolation period should be at least twice the primary structure in three-story vertical expansion, three times in two-story expansion, and four times in one-story expansion for the effective application of the isolation system. On the basis of the result, the efficacy of an isolation system for the actual apartment structure, which is three-story vertically expended, was analytically verified. The maximal acceleration response on the top floor reduced by 70% and 65% of the non-isolated structure in the X and Y directions respectively. Additionally, the base shear force decreased by 30% in the both directions, compared to the non-isolated structure.
Elwardany, Hytham;Mosa, Beshoy;Khedr, M. Diaa Eldin;Seleemah, Ayman
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.2
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pp.153-166
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2022
Structural pounding due to strong seismic excitations can result in severe damage or even collapse of colliding structures. Many researchers focused on studying the mutual pounding between two adjacent structures while very few researches were concerned with the pounding of a series of structures. This paper aims to study the pounding effect on a series of four buildings having different natural frequencies. The paper also investigates the effect of different arrangements of the four buildings on their pounding response. For this, a mathematical model was constructed using Matlab code where, pounding was modeled using a contact force-based approach. A Non-Linear viscoelastic (Hertzdamp) contact element was used and activated only during the approach period of collision. The mathematical model was validated by comparing its prediction versus experimental results on three adjacent buildings. Then the model was used to study the pounding between four adjacent structures arranged in different sequences according to their natural frequencies. The results revealed that increasing the gap distance generally led to decrease the peak responses of the towers. Such response is somehow different from that predicted earlier by the authors for the case of three adjacent buildings. Moreover, the arrangement of towers has a significant effect on their pounding response. Significant difference between the natural frequencies of adjacent structures increases the pounding forces especially when the more flexible buildings are located at the outer edge of the series. The study points out the need for further researches on buildings in series to gain a better understanding of such complex phenomena.
Hamish Tomlinson;Geoffrey W. Rodgers;Chao Xu;Virginie Avot;Cong Zhou;J. Geoffrey Chase
Smart Structures and Systems
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v.31
no.2
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pp.101-111
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2023
Structural health monitoring (SHM) covers a range of damage detection strategies for buildings. In real-time, SHM provides a basis for rapid decision making to optimise the speed and economic efficiency of post-event response. Previous work introduced an SHM method based on identifying structural nonlinear hysteretic parameters and their evolution from structural force-deformation hysteresis loops in real-time. This research extends and generalises this method to investigate the impact of a wide range of flag-shaped or pinching shape nonlinear hysteretic response and its impact on the SHM accuracy. A particular focus is plastic stiffness (Kp), where accurate identification of this parameter enables accurate identification of net and total plastic deformation and plastic energy dissipated, all of which are directly related to damage and infrequently assessed in SHM. A sensitivity study using a realistic seismic case study with known ground truth values investigates the impact of hysteresis loop shape, as well as added noise, on SHM accuracy using a suite of 20 ground motions from the PEER database. Monte Carlo analysis over 22,000 simulations with different hysteresis loops and added noise resulted in absolute percentage identification error (median, (IQR)) in Kp of 1.88% (0.79, 4.94)%. Errors were larger where five events (Earthquakes #1, 6, 9, 14) have very large errors over 100% for resulted Kp as an almost entirely linear response yielded only negligible plastic response, increasing identification error. The sensitivity analysis shows accuracy is reduces to within 3% when plastic drift is induced. This method shows clear potential to provide accurate, real-time metrics of non-linear stiffness and deformation to assist rapid damage assessment and decision making, utilising algorithms significantly simpler than previous non-linear structural model-based parameter identification SHM methods.
Kim, Dal Sung;Kim, Dong Seong;Kim, Kee Dong;Ko, Man Gi
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2A
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pp.233-242
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2008
This study presents a non-prismatic beam element for modeling the elastic and inelastic behavior of steel beams, which have the post-Northridge(cover plate) connections in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The elastic stiffness matrix for non-prismatric members with increased beam section (IBS) connection is in the closed-form. The plasticity model is of a discrete type and is composed of a series of nonlinear hinges connected by rigid links. The hardening rules can model the inelastic behavior for monotonic and random cyclic loading, and the effects of local buckling. Moreover the determination of yield surfaces, stiffness parameters, and hardening (or softening) rule parameters for IBS beam element were described. Analytical results of the IBS beam element show good correlation with test data and FEM results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.5
s.45
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pp.11-19
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2005
Seismic design of a building is usually performed by using the linear static procedure. However, the actual behavior of the building subjected to earthquake is inelastic and dynamic in nature. Therefore, inelastic dynamic analysis is required to evaluate the safety of the structure designed by the current design codes. For the validation, a RC special moment resisting frame building was chosen and designed by IBC 2003 representing new codes. Maximum plastic rotation and dissipated energy of some selected members were calculated for examining if the inelastic behavior of the building follows the intention of the code, and drift demand were calculated as well for checking if the building well satisfies the design drift limit. In addition, the effect of including internal moment resisting frames (non lateral resisting system) on analyses results was investigated. As a result of this study, the building designed by IBC 2003 showed the inelastic behavior intended in the code and satisfied the design drift limit. Furthermore, the internal moment resisting frames should be included in the analytical model as they affect the results of seismic analyses significantly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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