This paper presents a numerical model for simulating the nonlinear response of reinforced concrete (RC) shear walls subject to cyclic loadings. The material behavior of cracked concrete is described by an orthotropic constitutive relation with tension-stiffening and compression softening effects defining equivalent uniaxial stress-strain relation in the axes of orthotropy. Especially in making analytical predictions for inelastic behaviors of RC walls under reversed cyclic loading, some influencing factors inducing the material nonlinearities have been considered. A simple hysteretic stress-strain relation of concrete, which crosses the tension-compression region, is defined. Modification of the hysteretic stress-strain relation of steel is also introduced to reflect a pinching effect depending on the shear span ratio and to represent an average stress distribution in a cracked RC element, respectively. To assess the applicability of the constitutive model for RC element, analytical results are compared with idealized shear panel and shear wall test results under monotonic and cyclic shear loadings.
Silva, Jessica L.;Deus, Lidiane R.R.M.;Lemes, Igor J.M.;Silveira, Ricardo A.M.
Steel and Composite Structures
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v.38
no.3
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pp.257-270
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2021
This paper presents a displacement-based numerical methodology following the Euler-Bernoulli theory to simulate the 2 nonlinear behavior of steel structures. It is worth emphasizing the adoption of co-rotational finite element formulations considering large displacements and rotations and an inelastic material behavior. The numerical procedures proposed considers plasticity concentrated at the finite elements nodes, and the simulation of the steel nonlinear behavior is approached via the Strain Compatibility Method (SCM), where the material constitutive relation is used explicitly. The SCM is also applied in determining the sections bearing capacity. Moreover, the present numerical approach is not limited to a specific structural member cross-sectional typology, with the residual stress models introduced explicitly in subareas of steel cross-sections generated by a 2D discretization. Finally, results consistent with the literature and with low processing time are presented.
The inelastic behavior of a reinforced concrete columns is influenced by a number of factors : 1) level of axial load, 2) tie spacing, 3) volumetric ratio of lateral steel, 4) concrete strength, 5) distribution of longitudinal steel, 6) strength of lateral steel, 7) cover thickness, 8) configuration of lateral steel, 9) strain gradient, 10) strain rate, 11) the effectively confined concrete core area, and 12) amount of longitudinal steel. A new constitutive model of a confined concrete is suggested in order to investigate the nonlinear behavior of the reinforced concrete columns under concentric loading. The developed constitutive model for the confined concrete takes into account the effects of effectively confined area as well as the horizontal and longitudinal distributions of the confining pressures. None of the existing models incorporated these two main effects at the same time. A total of different six constitutive models for the behavior of the confined concrete under concentric compression were compared with the sixty-one test results reported by different researchers. The superiority of the developed model in its accuracy is demonstrated by evaluating the error function, which compares the weighted averages for the sum of squared relative differences in peak compressive strength and corresponding strain, stress at strain equal to 0.015, and total area under stress-strain curve up to strain equal to 0.015.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.3
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pp.143-150
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2013
The paper introduces Multi-Platform Analysis (MPA) for the seismic performance of a structure controlled by Magneto-Rheological (MR) dampers and presents analytical assessment of the effect of MR damper when taking into account nonlinear behavior of the structure. This paper introduces the MR Damper Plugin that can facilitate communication between MATLAB/Simulink and a finite element analysis tool in order to account for more complex inelastic behavior of the structure with MR dampers. The MPA method using the developed MR Damper Plugin is validated with experimental results from the real-time hybrid simulation. By utilizing the proposed MPA method, the three-story RC structure controlled by MR dampers is more realistically modeled and its performance under seismic loads is investigated. It is concluded that MR damper designed for a linear structure is not effective in a nonlinear structure and can overestimate the effect of MR damper. This work is expected to overcome difficulties in the analytical assessment of structural control strategies for complex and nonlinear structures by obtaining more reliable results.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.12
no.4
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pp.59-70
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1992
Inelastic nonlinear behavior of a hyperbolic cooling tower under wind loading is studied using a finite element program developed on a Cray Y-MP. Convergence studies for the elastic and inelastic analyses are performed using three mesh models. It is shown that the mesh convergence plays an important role in accurately predicting the inelastic behavior of a cooling tower. Even though the cooling tower resists the applied forces through membrane stresses, it is found that the bending stresses play an important role in the failure and behavior of the cooling tower. The present analysis gives a shape factor of 1.48, which indicates a significant redistribution of meridional stresses. It is further evidenced by the distribution of meridional reinforcement yielding which reaches up to $30^{\circ}$ from the windward meridian. The present practice of using elastic analysis for calculating the design stresses appears to be at least safe and conservative. A more comprehensive study should lead to conclusions that would allow use of a higher-than-one shape factor, thus requiring less meridional reinforcement than the present design method does.
A series of dynamic and static tests were conducted to observe the actual responses of a 1:5 scale 3-story reinforced concrete(RC) frame which was designed only for gravity loads. One of the major objectives of these experiments is to provide the calibration to the available static and dynamic inelastic analysis techniques. In this study, the experimental results were simulated by using a nonlinear analysis program for reinforced concrete frame, IDARC-2D. The evaluation of the degree of the simulation leads to the conclusion that while the global behaviors such as story drifts and shears can be in general simulated with the limited accuracy in the dynamic nonlinear analysis, it is rather easy and simple to get the fairly high level of accuracy in the prediction of global and local behaviors in the static nonlinear analysis by using IDARC-2D.
This paper presents a numerical model developed to evaluate the load-deflection and moment-curvature relationship for concrete beams strengthened externally with four different Fiber Reinforced Polymer (FRP) composite systems. The developed model considers the inelastic behavior of concrete section subjected to a combined axial force and bending moment. The model accounts for tensile strength of concrete as defined by the modulus of rupture of concrete. Based on the adopted material constitutive relations, the model evaluates the sectional curvature as a function of the applied axial load and bending moment. Deflections along the beam are evaluated using a finite difference technique taking into account support conditions. The developed numerical technique has been tested on a cantilever beam with a transverse load applied at its end. A study of the behavior of the beam with tension reinforcement compared to that with FRP areas giving an equivalent ultimate moment has been carried out. Moreover, cracking of the section in the tensile region at ultimate load has also been considered. The results indicated that beams reinforced with FRP systems possess more ductility than those reinforced with steel. This ductility, however, can be tuned by increasing the area of FRP or by combining different FRP layers.
Concrete has two different failure mechanisms : compressive crushing and tensile cracking.
Concrete models should use the two different failure criteria to analyze the inelastic behavior of
concrete including multiaxial crushing and tensile cracking. Concrete models used in this study
are based on plasticity with multiple failure criteria of compressive crushing and tensile cracking.
For tensile cracking behavior, two different plasticity models are investigated. The* ,e are
rotating-crack and fixed-crack plasticity models, classified according to idealization of crack
0rientat:ions. The material models simplify inelastic behavior of concrete for plane stress
problenls. The material models are used for the finite element anlaysis. Analytical results are
compared with several experiments of reinforced concrete member. The advantages and
disadva.ntages of rotating-crack and fixed -crack plasticity models are discussed.
In the present study, the Direct Inelastic Design (DID) for steel structures developed in the previous study was improved to expand it applicability. The proposed design method can perform inelastic designs that address the design characteristics of steel structures: Group member design, discrete member sizes, variation of moment-carrying capacity according to axial force, connection types, and multiple design criteria and load conditions. The design procedure for the proposed method was established, and a computer program incorporating the design procedure was developed. The design results from the conventional elastic method and the DID were compared and verified by the existing computer program for nonlinear analysis. Compared with the conventional elastic design, the DID addressing the inelastic behavior reduced the total weight of steel members and enhanced the deformability of the structure. The proposed design method is convenient because it can directly perform inelastic design by using linear analysis for secant stiffness. Also, it can achieve structural safety and economical design by controlling deformations of the plastic hinges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.4
s.44
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pp.11-18
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2005
Inelastic seismic analysis is necessary for the seismic design due to the nonlinear behavior of a structure-soil system, and the importance of the performance based design considering the soil-structure interaction is recognized for the reasonable seismic design. In this study, elastic and inelastic seismic response analyses of a single degree of freedom system on the soft soil layer were peformed considering the nonlinearity of the soil for the 11 weak or moderate, and 5 strong earthquakes scaled to the nominal peak acceleration of 0.075g, 0.15g, 0.2g and 0.3g. Seismic response analyses for the structure-soil system were peformed in one step applying the earthquake motions to the bedrock In the frequency domain, using a pseudo 3-D dynamic analysis software. Study results indicate that it is necessary to consider the nonlinear soil-structure interaction effects and to perform the performance based seismic design for the various soil layers rather than to follow the routine procedures specified in the seismic design codes. Nonlinearity of the soft soil excited with the weak earthquakes also affected significantly to the elastic and inelastic responses due to the nonlinear soil amplification of the earthquake motions, and it was pronounced especially for the elastic ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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