Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datta, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.5
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pp.625-641
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2020
The realistic modeling of the beam-column semi-rigid connection in steel frames attracted the attention of many researchers in the past for the seismic analysis of semi-rigid frames. Comparatively less studies have been made to investigate the behavior of steel frames with semi-rigid connections under different types of earthquake. Herein, the seismic behavior of semi-rigid steel frames is investigated under both far and near-field earthquakes. The semi-rigid connection is modeled by the multilinear plastic link element consisting of rotational springs. The kinematic hysteresis model is used to define the dynamic behavior of the rotational spring, describing the nonlinearity of the semi-rigid connection as defined in SAP2000. The nonlinear time history analysis (NTHA) is performed to obtain response time histories of the frame under scaled earthquakes at three PGA levels denoting the low, medium and high-level earthquakes. The other important parameters varied are the stiffness and strength parameters of the connections, defining the degree of semi-rigidity. For studying the behavior of the semi-rigid frame, a large number of seismic demand parameters are considered. The benchmark for comparison is taken as those of the corresponding rigid frame. Two different frames, namely, a five-story frame and a ten-story frame are considered as the numerical examples. It is shown that semi-rigid frames prove to be effective and beneficial in resisting the seismic forces for near-field earthquakes (PGA ≈ 0.2g), especially in reducing the base shear to a considerable extent for the moderate level of earthquake. Further, the semi-rigid frame with a relatively weaker beam and less connection stiffness may withstand a moderately strong earthquake without having much damage in the beams.
Vaezi, Hossein;Karimi, Amir;Shayanfar, Mohsenali;Safiey, Amir
Earthquakes and Structures
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v.20
no.2
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pp.215-224
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2021
The carbon dioxide present in the atmosphere is one of the main reasons for the corrosion of bridges, buildings, tunnels, and other reinforced concrete (RC) structures in most industrialized countries. With the growing use of fossil fuels in the world since the Industrial Revolution, the amount of carbon dioxide in urban and industrial areas of the world has grown significantly, which increases the chance of corrosion caused by carbonation. The process of corrosion leads to a change in mechanical properties of rebars and concrete, and consequently, detrimentally impacting load-bearing capacity and seismic behavior of RC structures. Neglecting this phenomenon can trigger misleading results in the form of underestimating the seismic performance metrics. Therefore, studying the carbonation corrosion influence on the seismic behavior of RC structures in urban and industrial areas is of great significance. In this study, a 2D modern RC moment frame is developed to study and assess the effect of carbonation corrosion, in 5-year intervals, for a 50 years lifetime under two different environmental conditions. This is achieved using the nonlinear static and incremental dynamic analysis (IDA) to evaluate the reinforcement corrosion effects. The reduction in the seismic capacity and performance of the reinforced concrete frame, as well as the collapse probability over the lifetime for different corrosion scenarios, is examined through the capacity curves obtained from nonlinear static analysis and the fragility curves obtained from IDA.
Kang, Seung Woo;Choi, Kwang Kyu;Song, Si Young;Son, Min Kyu
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.5
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pp.301-310
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2016
There are differences in seismic behavior between non-skewed bridges and skewed bridges due to in-plane rotations caused by pounding between the skewed deck and its abutments during strong earthquake. Many advances have been made in developing design codes and guidelines for dynamic analyses of non-skewed bridges. However, there remain significant uncertainties with regard to the structural response of skewed bridges caused by unusual seismic response characteristics. The purpose of this study is performing non-linear time history analysis of the bridges using abutment-soil interaction model considering pounding between the skewed deck and its abutments, and analyzing global seismic behavior characteristics of the skewed bridges to assess the possibility of unseating. Refined bridge model with abutment back fill, shear key and elastomeric bearing was developed using non-linear spring element. In order to evaluate the amplification of longitudinal and transverse displacement response, non-linear time history analysis was performed for single span bridges. Far-fault and near-fault ground motions were used as input ground motions. According to each parameter, seismic behavior of skewed bridges was evaluated.
For a given structural geometry, the stiffness and damping parameters of the soil and the dynamic response of the structure may change in the face of an equivalent linear soil behavior caused by a strong earthquake. Therefore, the influence of equivalent linear soil behavior on the impedance functions form and the seismic response of the soil-structure system has been investigated. Through the substructure method, the seismic response of the selected structure was obtained by an analytical formulation based on the dynamic equilibrium of the soil-structure system modeled by an analog model with three degrees of freedom. Also, the dynamic response of the soil-structure system for a nonlinear soil behavior and for the two types of impedance function forms was also analyzed by 2D finite element modeling using ABAQUS software. The numerical results were compared with those of the analytical solution. After the investigation, the effect of soil nonlinearity clearly showed the critical role of soil stiffness loss under strong shaking, which is more complex than the linear elastic soil behavior, where the energy dissipation depends on the seismic motion amplitude and its frequency, the impedance function types, the shear modulus reduction and the damping increase. Excellent agreement between finite element analysis and analytical results has been obtained due to the reasonable representation of the model.
Air Traffic Control (ATC) towers play significant role in the functionality of each airport. In spite of having complex dynamic behavior and major role in mitigating post-earthquake problems, less attention has been paid to the seismic performance of these structures. Herein, seismic response of an existing ATC tower with a wall-frame structural system that has been designed and detailed according to a local building code was evaluated through the framework of performance-based seismic design. Results of this study indicated that the linear static and dynamic analyses used for the design of this tower were incapable of providing a safety margin for the required seismic performance levels especially when the tower was subjected to strong ground motions. It was concluded that, for seismic design of ATC towers practice engineers should refer to a more sophisticated seismic design approach (e.g., performance-based seismic design) which accounts for inelastic behavior of structural components in order to comply with the higher seismic performance objectives of ATC towers.
In traditional eccentrically braced steel frames, damages and plastic deformations are limited to the links and the main structure members are required tremendous sizes to ensure elasticity with no damage based on the force-based seismic design method, this limits the practical application of the structure. The high strength steel frames with eccentric braces refer to Q345 (the nominal yield strength is 345 MPa) steel used for links, and Q460 steel utilized for columns and beams in the eccentrically brace steel frames, the application of high strength steels not only brings out better economy and higher strength, but also wider application prospects in seismic fortification zone. Here, the structures with four type eccentric braces are chosen, including K-type, Y-type, D-type and V-type. These four types EBFs have various performances, such as stiffness, bearing capacity, ductility and failure mode. To evaluate the seismic behavior of the high strength steel frames with variable eccentric braces within the similar performance objectives, four types EBFs with 4-storey, 8-storey, 12-storey and 16-storey were designed by performance-based seismic design method. The nonlinear static behavior by pushover analysis and dynamic performance by time history analysis in the SAP2000 software was applied. A total of 11 ground motion records are adopted in the time history analysis. Ground motions representing three seismic hazards: first, elastic behavior in low earthquake hazard level for immediate occupancy, second, inelastic behavior of links in moderate earthquake hazard level for rapid repair, and third, inelastic behavior of the whole structure in very high earthquake hazard level for collapse prevention. The analyses results indicated that all structures have similar failure mode and seismic performance.
Bazzaz, Mohammad;Kheyroddin, Ali;Kafi, Mohammad Ali;Andalib, Zahra
Steel and Composite Structures
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v.12
no.5
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pp.445-464
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2012
In order to evaluate the dynamic behavior of passive energy dissipation system, two steps need to be considered for prediction of structural response in the presence of ductile element in an off-centre bracing system. The first is a detailed analysis of the proposed ductile element and the second is the effect of this ductile element on an off-centre bracing system. The use of ductile bracing system is expanding in steel structures in order to increase the force reduction factor. Therefore, regarding the nonlinear behavior of steel material used in an off-centre bracing systems and using ductile element in OBS bracing systems, the seismic evaluation of the mentioned systems seems to be necessary. This paper aims to study linear and nonlinear behavior of steel frames with off-centre bracing system and ductile element, in order to get the best position of these bracing elements. To achieve this purpose, the modeling has been done with ANSYS software. The optimum eccentricity has been obtained by modeling three steel frames with different eccentricities and evaluating the results of them. The analytical results showed that the model OBS-C with 0.3 eccentricities has higher performance among the models.
Motivated by the demand of seismic protection of museum collections and development of performance-based seismic design guidelines, this paper investigates the seismic fragility of sliding artifacts based on incremental dynamic analysis and three-dimensional finite element model of the artifact-showcase-museum system considering nonlinear behavior of the structure and contact interfaces. Different intensity measures (IMs) for seismic fragility assessment of sliding artifacts are compared. The fragility curves of the sliding artifacts in both freestanding and restrained showcases placed on different floors of a four-story reinforced concrete frame structure are developed. The seismic sliding fragility of the artifacts within a real-world museum subjected to bi-directional horizontal ground motions is also assessed using the proposed IM and engineering demand parameter. Results show that the peak floor acceleration including only values initiating sliding is an efficient IM. Moreover, the sliding fragility estimate for the artifact in the restrained showcase increases as the floor level goes higher, while it may not be true in the freestanding showcase. Furthermore, the artifact is more prone to sliding failure in the restrained showcase than the freestanding showcase. In addition, the artifact has slightly worse sliding performance subjected to bi-directional motions than major-component motions.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1C
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pp.31-40
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2008
This study presents the assessment of pseudostatic approach for obtaining the internal response of Single Column/Shaft subjected to earthquake loading. In numerical procedure, various lateral load transfer characteristics (p-y curve and Bi-linear curve) were used to model the nonlinear behavior of soil reactions including soil-pile interaction. The analysis using nonlinear soil model could estimate the seismic performance of soil-pile system, despite its relative simplicity. It was found that lateral behavior of single column/shaft obtained from the response displacement method was larger than those by seismic intensity method. To investigate the effects of soil-pile rigidity and pile head condition on the internal pile response, parametric studies were carried out for various soil models. The results from numerical analysis showed that lateral deflection was decreased with fixed condition of pile head and decreasing the soil-pile rigidity. The seismic analysis using Bi-linear model of JRA could reasonably predict the lateral behavior of Single Column/Shaft.
There are great needs of simple but reliable mechanical nonlinear behavior analysis and performance evaluation method for frames constructed by steel and concrete composite beams or columns when the structures subjected extreme loads, such as earthquake loads. This paper describes an approach of simplified macro-modelling for composite frames consisting of steel-concrete composite beams and CFST columns, and presents the performance evaluation procedure based on the pushover nonlinear analysis results. A four-story two-bay composite frame underground is selected as a study case. The establishment of the macro-model of the composite frame is guided by the characterization of nonlinear behaviors of composite structural members. Pushover analysis is conducted to obtain the lateral force versus top displacement curve of the overall structure. The identification method of damage degree of composite frames has been proposed. The damage evolution and development of this composite frame in case study has been analyzed. The failure mode of this composite frame is estimated as that the bottom CFST columns damage substantially resulting in the failure of the bottom story. Finally, the seismic performance of the composite frame with high strength steel is analyzed and compared with the frame with ordinary strength steel, and the result shows that the employment of high strength steel in the steel tube of CFST columns and steel beam of composite beams benefits the lateral resistance and elasticity resuming performance of composite frames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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