In this paper, a hybrid boundary element technique is implemented to analyze nonlinear transient pile soil interaction in Gibson type nonhomeogenous soil. Inelastic modeling of soil media is presented by introducing a rational approximation to the continuum with nonlinear interface springs along the piles. Modified $\ddot{O}$zdemir's nonlinear model is implemented and systems of equations are coupled at interfaces for piles and pile groups. Linear beam column finite elements are used to model the piles and the resulting governing equations are solved using an implicit integration scheme. By enforcing displacement equilibrium conditions at each time step, a system of equations is generated which yields the solution. A numerical example is performed to investigate the effects of nonlinearity on the pile soil interaction.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.1
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pp.1-10
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2013
In order to predict inelastic displacement response without nonlinear dynamic analysis, the equal displacement rule can be used for the structures with longer natural periods than the characteristic period, $T_g$, of earthquake record. In the period range longer than $T_g$, peak displacement responses of elastic systems are equal or larger than those of inelastic systems. In the period range shorter than $T_g$, opposite trend occurs. In the equal displacement rule, it is assumed that peak displacement of inelastic system with longer natural period than $T_g$ equals to that of elastic system with same natural period. The equal displacement rule is very useful for seismic design purpose of structures with longer natural period than $T_g$. In the period range shorter than $T_g$, the peak displacement of inelastic system can be simply evaluated from the peak displacement of elastic system by using the inelastic displacement ratio, which is defined as the ratio of the peak inelastic displacement to the peak elastic displacement. Smooth hysteretic behavior is more similar to actual response of real structural system than a piece-wise linear hysteretic behavior such as bilinear or stiffness degrading behaviors. In this paper, the inelastic displacement ratios of the smooth hysteretic behavior system are evaluated for far-fault and near-fault earthquakes. The simple formula of inelastic displacement ratio considering the effect of $T_g$ is proposed.
In this study, an effective numerical method is introduced for nonlinear inelastic analyses of rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) frames for the first time. A steel-concrete composite fiber beam-column element model is developed that considers material, and geometric nonlinearities, and residual stresses. This is achieved by using stability functions combined with integration points along the element length to capture the spread of plasticity over the composite cross-section along the element length. Additionally, a multi-spring element with a zero-length is employed to model the nonlinear semi-rigid beam-to-column connections in CFST frame models. To solve the nonlinear equilibrium equations, the generalized displacement control algorithm is adopted. The accuracy of the proposed method is firstly verified by a large number of experiments of CFST members subjected to various loading conditions. Subsequently, the proposed method is applied to investigate the nonlinear inelastic behavior of rectangular CFST frames with fully rigid, semi-rigid, and hinged connections. The accuracy of the predicted results and the efficiency pertaining to the computation time of the proposed method are demonstrated in comparison with the ABAQUS software. The proposed numerical method may be efficiently utilized in practical designs for advanced analysis of the rectangular CFST structures.
The structural members under seismic loading actually show inelastic behavior, so the inelastic responses should be calculated for the seismic design of structures or estimating the structural damage level. Although direct time history analysis may calculate the exact dynamic nonlinear responses for given ground motions, this approach involves a high computational cost and long period. Therefore, it should be developed the approach to estimate nonlinear responses for the practical purpose. The artificial earthquake accelerograms were generated to obtain the smoothed responses spectra, and the samples of generated accelerogram for each seismic event was used to examine average nonlinear response spectra. The stabilized response spectra for each earthquake event was used to evaluate the effects of various yield strength ratios, damping values and nonlinear hysteretic models. The approach, which can simply predict the nonlinear seismic responses of structures, was shown in this study.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1996.10a
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pp.11-18
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1996
Inelastic buckling stress of Welded Thin-Walled Steel Sections was investigated by - using Spline Finite Strip Method. Several types of membrane residual stress and nonlinear stress-strain relationship were considered to produce reasonable fits to test results. A simple formula for the inelastic local buckling stress of welded sections was also proposed and compared with Korean Standard Specifications for Highway Bridges.
Although the Load and Resistance Factor Design (LRFD) method is an advanced design approach, it does not accurately capture the interaction between individual members and structural system. A nonlinear inelastic analysis for the entire structure is required to solve this problem. According to many design codes of advanced countries, a nonlinear inelastic analysis can be applied to predict the structural behavior and strength reasonably. In this study, an LRFD design method using practical nonlinear inelastic analysis was proposed. Design examples using the proposed method waspresented, and the economical efficiency and adequacy of the proposed method was investigated by comparing the design results with that of the AISC-LRFD. It has been consequently demonstrated that the proposed method can reduce the construction cost through savings in steel.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.5
no.5
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pp.47-56
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2001
In order to assure the safety of NPP structures, margin of safety or conservatism is incorporated in each design step. Seismic risk evaluation of NPP structures is performed based on the realistic capacity and response of structure eliminated the safety margin and conservatism. In this study, the comparative study on the various evaluation methods of the inelastic energy absorption capacity was performed. The inelastic energy absorption capacity due to the nonlinear behavior of structures has significant effect on the results of seismic probabilistic risk assessment. And the comparison study of the HCLPF(high confidence of low probability of failure) values according to the inelastic energy absorption factors was performed. As a conclusion, the inelastic energy absorption factor of NPP containment structure is estimated about 1.5~1.75. It is essential to estimate the nonlinear behavior of structure and its ductility factor correctly for the seismic risk assessment.
This paper presents the convected material frame approach to study the nonlinear behavior of inelastic frame structures. The convected material frame approach is a modification of the co-rotational approximation by incorporating an adaptive convected material frame in the basic definition of the displacement vector and strain tensor. In the formulation, each discrete element is associated with a local coordinate system that rotates and translates with the element. For each load increment, the corresponding strain-displacement and nodal force-stress relationships are defined in the updated local coordinates, and based on the updated element geometry. The rigid body motion and deformation displacements are decoupled for each increment. This modified approach incorporates the geometrical nonlinearities through the continuous updating of the material frame geometry. A generalized nonlinear function is used to derive the inelastic constitutive relation and the kinematic hardening is considered. The equation of motion is integrated by an explicit procedure and it involves only vector assemblage and vector storage in the analysis by assuming a lumped mass matrix of diagonal form. Several numerical examples are demonstrated in close agreement with the solutions obtained by the ANSYS code. Numerical studies show that the proposed approach is capable of investigating large deflection of inelastic planar structures and providing an excellent numerical performance.
This paper presents a displacement-based finite element procedure for second-order distributed plasticity analysis of planar steel frames with semi-rigid beam-to-column connections under static loadings. A partially strain-hardening elastic-plastic beam-column element, which directly takes into account geometric nonlinearity, gradual yielding of material, and flexibility of semi-rigid connections, is proposed. The second-order effects and distributed plasticity are considered by dividing the member into several sub-elements and meshing the cross-section into several fibers. A new nonlinear solution procedure based on the combination of the Newton-Raphson equilibrium iterative algorithm and the constant work method for adjusting the incremental load factor is proposed for solving nonlinear equilibrium equations. The nonlinear inelastic behavior predicted by the proposed program compares well with previous studies. Coupling effects of three primary sources of nonlinearity, geometric imperfections, and residual stress are investigated and discussed in this paper.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.523-528
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2001
The Capacity Spectrum Method (CSM) was first introduced in the 1970's as rapid evaluation procedure. The procedure compares the capacity of the structure (in the form of a pushover curve) with the demands on the structure (in the form of a response spectrum). The graphical intersection of the two curves approximates the response of the structure. In order to account for nonlinear inelastic behavior of the structural system, effective ductility ratios(μ) are applied to the elastic-linear response spectrum to imitate an inelastic response spectrum. CSM in ATC-40 has deficiencies such as performance point does not converge and the peak deformation of inelastic systems is to be inaccurate when compared against results of nonlinear response history analysis. The purpose of this paper is to investigate the variation of performance points of Capacity Spectrum Method (CSM) are investigated with respect to the different sets of earthquake ground motions. The earthquake sets were used in this study selected by Miranda(1993), Riddell(1991), Seed et al. (1976).
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