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.
Zhao, Xianzhong;Tian, Yafeng;Jia, Liang-Jiu;Zhang, Tao
Steel and Composite Structures
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v.26
no.4
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pp.439-452
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2018
This paper presents experimental and numerical study on buckling behaviors and hysteretic performance of Class 1 H-shaped steel beam subjected to cyclic pure bending within the scope of ultra-low cycle fatigue (ULCF). A loading device was designed to achieve the pure bending loading condition and 4 H-shaped specimens with a small width-to-thickness ratio were tested under 4 different loading histories. The emphasis of this work is on the impacts induced by local buckling and subsequent ductile fracture. The experimental and numerical results indicate that the specimen failure is mainly induced by elasto-plastic local buckling, and is closely correlated with the plastic straining history. Compared with monotonic loading, the elasto-plastic local buckling can occur at a much smaller displacement amplitude due to a number of preceding plastic reversals with relative small strain amplitudes, which is mainly correlated with decreasing tangent modulus of the material under cyclic straining. Ductile fracture is found to be a secondary factor leading to deterioration of the load-carrying capacity. In addition, a new ULCF life evaluation method is proposed for the specimens using the concept of energy decomposition, where the cumulative plastic energy is classified into two categories as isotropic hardening and kinematic hardening correlated. A linear correlation between the two energies is found and formulated, which compares well with the experimental results.
Reisi, Alireza;Mirdamadi, Hamid Reza;Rahgozar, Mohammad Ali
Earthquakes and Structures
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v.18
no.5
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pp.637-648
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2020
In this study, a new steel cylindrical shell configuration of the dissipative energy device is proposed to improve lateral ductility and to reduce the damage of the structures against seismic forces. Four nested-eccentric- cylindrical shells are used to constructing this device; therefore, this proposed device is named nested-eccentric-cylindrical shells damper (NECSD). The particular configuration of the nested-eccentric-cylindrical shells is applied to promote the mechanical characteristics, stability, and overall performance of the damper in cyclic loads. Shell-type components are performed as a combination of series and parallel non-linear springs into the in-plan plastic deformation. Numerical analysis with respect to dimensional variables are used to calculate the mechanical characteristics of the NECSD, and full-scale testing is conducted for verifying the numerical results. The parametric study shows the NECSD with thin shells were more flexible, while devices with thick shells were more capacious. The results from numerical and experimental studies indicate that the NECSD has a stable behavior in hysteretic loops with highly ductile performance, and can provide appropriate dissipated energy under cyclic loads.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1996.10a
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pp.466-472
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1996
The nonlinear analysis was perforned for a 2-bay 2-story moment-resisting reinforced concrete plane frame with seismic detail using KDARC 2D program. The analytical models consist of the material model, the member model, the hysteretic model, and the damage model etc. The conclusion based on the results of analysis is as following. : (1) Story shear-displacement relationship is similar to the experiment result but from the energy point of view, the analysis relationship is similar to the experiment result but from the energy point of view, the analysis result was different from the experiment result. (2) Plastic hinges were found to occur mainly in beams at first story while all the columns had plastic hinges throughout the structure. (3) Failure mode is a little different from experiment result in the yielding mechanism. (4) Damage index isabout 0.25. This means that the degree of damage is moderate and can be repairable.
Seo Soo-Yeon;Kim Jong-Sun;Yoon Yong-Dae;Lee Woo-Jin;Kim Sang-Sik;Yoon Seung-Joe
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.623-626
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2004
The purpose of this paper is to study the effect of longitudinal reinforcement for anchoring in the wide beam column joint as wall as the contribution of depth of spandrel beam to hysteretic behavior of the wide beam column joint. From the test it was shown that the specimen with anchorage in the joint had higher strength than the specimen with normal hook anchorage. Specimen with debonded reinforcement at out of Id from column face failed showing moved plastic hinge and less strength than normal specimen. However, the dissipated energy was increased $11\%$.
The theoretical background and capabilities of the developed program, SAR-CWF, for stochastic analysis of 3D reinforced-concrete shear wall-frame structures subject to seismic excitations is presented. Incremental stiffness and strength properties of system members are modeled by extended Roufaiel-Meyer hysteretic relation for bending while shear deformations for walls by Origin-Oriented hysteretic model. For the critical height of shear-walls, division to sub-elements is performed. Different yield capacities with respect to positive and negative bending, finite extensions of plastic hinges and P-${\delta}$ effects are considered while strength deterioration is controlled by accumulated hysteretic energy. Simulated strong motions are obtained from a Gaussian white-noise filtered through Kanai-Tajimi filter. Dynamic equations of motion for the system are formed according to constitutive and compatibility relations and then inserted into equivalent It$\hat{o}$-Stratonovich stochastic differential equations. A system reduction scheme based on the series expansion of eigen-modes of the undamaged structure is implemented. Time histories of seismic response statistics are obtained by utilizing the computer programs developed for different types of structures.
Koh, Hyeyoung;Han, Sang Whan;Heo, Chang Dae;Lee, Chang Seok
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.6
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pp.303-310
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2017
The coupled shear wall system with coupling beams is an efficient structural system for high-rise buildings because it can provide excellent ductility and energy dissipation to the buildings. The objective of this study is to simulate the hysteretic behavior of diagonally reinforced concrete coupling beams including pinching and cyclic deteriorations in strength and stiffness using a numerical model. For this purpose, coupling beams are modeled with an elastic beam element and plastic spring element placed at the beam ends. Parameters for the analytical model was calibrated based on the test results of 6 specimens for diagonally reinforced concrete coupling beams. The analytical model with calibrated model parameters is verified by comparing the hysteretic curves obtained from analysis and experimental tests.
Romo, L.;Benavent-Climent, A.;Morillas, L.;Escolano, D.;Gallego, A.
Earthquakes and Structures
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v.8
no.3
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pp.485-509
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2015
This paper presents the experimental results obtained by applying frequency-domain structural health monitoring techniques to assess the damage suffered on a special type of damper called Web Plastifying Damper (WPD). The WPD is a hysteretic type energy dissipator recently developed for the passive control of structures subjected to earthquakes. It consists of several I-section steel segments connected in parallel. The energy is dissipated through plastic deformations of the web of the I-sections, which constitute the dissipative parts of the damper. WPDs were subjected to successive histories of dynamically-imposed cyclic deformations of increasing magnitude with the shaking table of the University of Granada. To assess the damage to the web of the I-section steel segments after each history of loading, a new damage index called Area Index of Damage (AID) was obtained from simple vibration tests. The vibration signals were acquired by means of piezoelectric sensors attached on the I-sections, and non-parametric statistical methods were applied to calculate AID in terms of changes in frequency response functions. The damage index AID was correlated with another energy-based damage index -ID- which past research has proven to accurately characterize the level of mechanical damage. The ID is rooted in the decomposition of the load-displacement curve experienced by the damper into the so-called skeleton and Bauschinger parts. ID predicts the level of damage and the proximity to failure of the damper accurately, but it requires costly instrumentation. The experiments reported in this paper demonstrate a good correlation between AID and ID in a realistic seismic loading scenario consisting of dynamically applied arbitrary cyclic loads. Based on this correlation, it is possible to estimate ID indirectly from the AID, which calls for much simpler and less expensive instrumentation.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.3
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pp.47-55
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2003
This study proposed a convenient seismic design procedure for buckling-restrained braced frames based on the equivalent energy concept. The design process begins with the computation of input energy from response spectrum. Then the elastic energy and plastic energy are computed based on the equal energy concept. The computed plastic energy is distributed to each story along energy distribution ratio and the cross-sectional area of each brace is computed so that all the plastic energy is dissipated by the brace. The proposed procedure was applied to the design of three-, six-, and twenty-story steel frames with buckling-restrained braces, and artificial earthquake records were used for verification of the proposed method. According to analysis results, top story displacements of the low-rise structure satisfies the given target displacement however that of the twenty-story structure was much smaller than the given target displacement.
The purpose of this study is to propose the analytical model for the hysteretic behavior of Reinforced Concrete bearn-column joints under various loading history. Discrete line elernents , YVith inelastic rotational spring was adopted to consider the movement of plastic hinging zone influenced by the details of longitudinal reinforcements. Also hysteretic model was constructed by excluding such variables which can not be utilized in dynamic analysis of Reinforced Concrete. structure that it will be adoptable in two-dimensional inelastic frame ardysis with 6-DOF. From the analysis of previous test results, it was found that stiffness deterioration caused by inelastic hysteretic loadings can be predicted by the functron of basic pinching coefficients, ductility ratio.and yield strength ratio of members. Strength degradation coefficients were newly proposed to explain the difference of inelastic behavior of members caused by spacing ratio of transverse steel and sectlon aspect ratio. The energy dissipation capacities calculated using the analytical model proposed in thls paper show a good agreements w~lh test results by an error of 10~20%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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