This paper approaches the issue of seismic vulnerability assessment strategies for facade walls of traditional masonry buildings through the development of a methodology and its subsequent application to over 600 building facades from the old building stock of the historic city centre of Coimbra. Using the post-earthquake damage assessment of masonry buildings in L'Aquila, Italy, an analytical function was developed and calibrated to estimate the mean damage grade for masonry facade walls. Having defined the vulnerability function for facade walls, damage scenarios were calculated and subsequently used in the development of an emergency planning tool and in the elaboration of an access route proposal for the case study of the historic city centre of Coimbra. Finally, the methodology was pre-validated through the comparison of a set of results obtained from its application and also resourcing to a widely accepted mechanical method on the description of the out-of-plane behaviour of facade walls.
Rapid post-earthquake damage estimation of subway stations is particularly necessary to improve short-term crisis management and safety measures of urban subway systems after a destructive earthquake. The conventional Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) framework with constant earthquake occurrence rate is invalid to estimate the aftershock risk because of the time-varying rate of aftershocks and the uncertainty of mainshock-damaged state before the occurrence of aftershocks. This study presents a time-varying probabilistic seismic risk assessment framework for underground structures considering mainshock and aftershock hazards. A discrete non-omogeneous Markov process is adopted to quantify the time-varying nature of aftershock hazard and the uncertainties of structural damage states following mainshock. The time-varying seismic risk of a typical rectangular frame subway station is assessed under mainshock-only (MS) hazard and mainshock-aftershock (MSAS) hazard. The results show that the probabilities of exceeding same limit states over the service life under MSAS hazard are larger than the values under MS hazard. For the same probability of exceedance, the higher response demands are found when aftershocks are considered. As the severity of damage state for the station structure increases, the difference of the probability of exceedance increases when aftershocks are considered. PSDR=1.0% is used as the collapse prevention performance criteria for the subway station is reasonable for both the MS hazard and MSAS hazard. However, if the effect of aftershock hazard is neglected, it can significantly underestimate the response demands and the uncertainties of potential damage states for the subway station over the service life.
This paper identifies the effects of infill wall existence and arrangement in the seismic response of steel frame structures. The methodology followed was based on the utilisation of overall seismic response indicators that distil the complexity of structural response in a single value hence enabling their straightforward comparative and statistical post process. The overall structure damage index after Park/Ang ($OSDI_{PA}$) and the maximum inter-story drift ratio (MISDR) have been selected as widely utilized structural seismic response parameters in contemporary state of art. In this respect a set of 225 Greek antiseismic code (EAK) spectrum compatible artificial accelerograms have been created and a series of non-linear dynamic analyses have been executed. Data were obtained through nonlinear dynamic analyses carried on an indicative steel frame structure with 5 different infill wall topologies. Results indicated the significant overall contribution of infill walls with a reduction that ranged 35-47% of the maximum and 74-81% of the average recorded $OSDI_{PA}$ values followed by an overall reduction of 64-67% and 58-61% for the respective maximum and average recorded MISDR values demonstrating the relative benefits of infill walls presence overall as well as localised with similar reductions observed in 1st level damage indicators.
After a disaster like the catastrophic earthquake, the government have to use rapid assessment of the condition (or damage) of bridges, buildings and other infrastructures is mandatory for rapid feedbacks, rescue and post-event management. Many domain schemes based on the measured vibration computations, including least squares estimation and neural fuzzy logic control, have been studied and found to be effective for online/offline monitoring of structural damage. Traditional strategies require all external stimulus data (input data) which have been measured available, but this may not be the generalized for all structures. In this article, a new method with unknown inputs (excitations) is provided to identify structural matrix such as stiffness, mass, damping and other nonlinear parts, unknown disturbances for example. An analytical solution is thus constructed and presented because the solution in the existing literature has not been available. The goals of this paper are towards access to adequate, safe and affordable housing and basic services, promotion of inclusive and sustainable urbanization and participation, implementation of sustainable and disaster-resilient buildings, sustainable human settlement planning and manage. Simulation results of linear and nonlinear structures show that the proposed method is able to identify structural parameters and their changes due to damage and unknown excitations. Therefore, the goal is believed to achieved in the near future by the ongoing development of AI and control theory.
Many public buildings such as schools, hospitals, etc., where partial infill walls are present in reinforced concrete (RC) structures, have undergone undesirable damage/failure attributed to captive column effect during a moderate to severe earthquake shaking. Often, the situation gets worsened when these RC frames are non-ductile in nature, thus reducing the deformable capability of the frame. Also, in many parts of the Indian subcontinent, it is mandatory to use fly-ash bricks for construction so as to reduce the burden on the disposal of fly-ash produced at thermal power plants. In some scenario, when the non-ductile RC frame, partially infilled by fly-ash bricks, suffers major structural damage, the challenge remains on how to retrofit and restore it. Thus, in this study, two full-scale one-bay, one-story non-ductile RC frame models, namely, bare frame and RC partially infilled frame with fly-ash bricks in 50% of its opening area are considered. In the previous experiments, these models were subjected to slow-cyclic displacement-controlled loading to replicate damage due to a moderate earthquake. Now, in this study these damaged frames were retrofitted and an experimental investigation was performed on the retrofitted specimens to examine the effectiveness of the proposed retrofitting scheme. A hybrid retrofitting technique combining epoxy injection grouting with an innovative and easy-to-implement steel jacketing technique was proposed. This proposed retrofitting method has ensured proper confinement of damaged concrete. The retrofitted models were subjected to the same slow cyclic displacement-controlled loading which was used to damage the frames. The experimental study concluded that the hybrid retrofitting technique was quite effective in enhancing and regaining various seismic performance parameters such as, lateral strength and lateral stiffness of partially fly-ash brick infilled RC frame. Thus, the steel jacketing retrofitting scheme along with the epoxy injection grouting can be relied on for possible repair of the structural members which are damaged due to the captive column effect during the seismic shaking.
Nibellen structural system is a novel resilient bracing system based on the application of Bellville disks and Nitinol rods. The cyclic behavior of Nibellen assembly was obtained, and the design equations were developed based on the available literature. Seismic performance of the system was then studied analytically. Two groups of buildings with different lateral force resisting systems were designed and studied: one group with the Nibellen system, and the other with the special concentrically braced frame system. Each building group consisted of 5-, 10-, and 15-story buildings. The Design-Base-Event (DBE) and Maximum Considered Event (MCE) were considered as the seismic hazard, and a suite of seven ground motions were scaled accordingly for response history analyses. Finally, the resiliency of the buildings was studied by obtaining the functionality curve of the buildings before and after the seismic event. The construction cost of the 5-story building with Nibellen bracing system increased but the post-earthquake cost decreased significantly. The application of Nibellen system in the 10- and 15-story buildings reduced both the construction and repair costs, considerably. Resiliency of all the buildings was improved when Nibellen system was used as the lateral force resisting system.
Residual deformation is a crucial index that should be paid special attention in the performance-based seismic analyses of reinforced concrete (RC) structures. Owing to their superior re-centering capacity under earthquake excitations, the post-tensioned self-centering (PTSC) RC frames have been proposed and developed for engineering application during the past few decades. This paper presents a comprehensive assessment on the seismic fragility of a PTSC frame by simultaneously considering maximum and residual deformations. Bivariate limit states are defined according to the pushover analyses for maximum deformations and empirical judgments for residual deformations. Incremental Dynamic Analyses (IDA) are conducted to derive the probability of exceeding predefined limit states at specific ground motion intensities. Seismic performance of the PTSC frame is compared with that of a conventional monolithic RC frame. The results show that, taking a synthetical consideration of maximum and residual deformations, the PTSC frame surpasses the monolithic frame in resisting most damage states, but is more vulnerable to ground motions with large intensities.
International conference on construction engineering and project management
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2015.10a
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pp.339-343
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2015
To rapidly recover ceased functionality of a facility after a catastrophic seismic event, critical decisions on facility repair works are made within a limited period of time. However, prolonged damage assessment of facilities, due to massive damage in the surrounding region and the complicated damage judgment procedures, may impede restoration planning. To assist reliable structural damage estimation without a deep knowledge and rapid interactive analysis among facility damage and restoration operations during the approximate restoration project planning phase, we developed a prototype of distributed facility restoration simulations through the use of high-level architecture (HLA) (IEEE 1516). The simulation prototype, in which three different simulations (including a seismic data retrieval technique, a structural response simulator, and a restoration simulation module) interact with each other, enables immediate damage estimation by promptly detecting earthquake intensity and the restoration operation analysis according to estimated damage. By conducting case simulations and experiments, research outcomes provide key insights into post-disaster restoration planning, including the extent to which facility damage varies according to disaster severity, facility location, and structures. Additional insights arise regarding the extent to which different facility damage patterns impact a project's performance, especially when facility damage is hard to estimate by observation. In particular, an understanding of required type and amount of repair activities (e.g., demolition works, structural reinforcement, frame installation, or finishing works) is expected to support project managers in approximate work scheduling or resource procurement plans.
Mehboob, Saqib;Khan, Qaiser Uz Zaman;Ahmad, Sohaib;Anwar, Syed M.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.2
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pp.185-201
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2022
Structural Health Monitoring (SHM) is used to provide reliable information about the structure's integrity in near realtime following extreme incidents such as earthquakes, considering the inevitable aging and degradation that occurs in operating environments. This paper experimentally investigates an integrated wireless sensor network (Wi-SN) based monitoring technique for damage detection in concrete structures. An effective SHM technique can be used to detect potential structural damage based on post-earthquake data. Two novel methods are proposed for damage detection in reinforced concrete (RC) building structures including: (i) Jerk Energy Method (JEM), which is based on time-domain analysis, and (ii) Modal Contributing Parameter (MCP), which is based on frequency-domain analysis. Wireless accelerometer sensors are installed at each story level to monitor the dynamic responses from the building structure. Prior knowledge of the initial state (immediately after construction) of the structure is not required in these methods. Proposed methods only use responses recorded during ambient vibration state (i.e., operational state) to estimate the damage index. Herein, the experimental studies serve as an illustration of the procedures. In particular, (i) a 3-story shear-type steel frame model is analyzed for several damage scenarios and (ii) 2-story RC scaled down (at 1/6th) building models, simulated and verified under experimental tests on a shaking table. As a result, in addition to the usual benefits like system adaptability, and cost-effectiveness, the proposed sensing system does not require a cluster of sensors. The spatial information in the real-time recorded data is used in global damage identification stage of SHM. Whereas in next stage of SHM, the damage is detected at the story level. Experimental results also show the efficiency and superior performance of the proposed measuring techniques.
Development of flexural yielding and large rotation ductilities in the plastic hinge zones of frame members is synonymous with the spread of bar reinforcement yielding into the supporting anchorage. Yield penetration where it occurs, destroys interfacial bond between bar and concrete and reduces the strain development capacity of the reinforcement. This affects the plastic rotation capacity of the member by increasing the contribution of bar pullout. A side effect is increased strains in the compression zone within the plastic hinge region, which may be critical in displacement-based detailing procedures that are linked to concrete strains (e.g. in structural walls). To quantify the effects of yield penetration from first principles, closed form solutions of the field equations of bond over the anchorage are derived, considering bond plastification, cover debonding after bar yielding and spread of inelasticity in the anchorage. Strain development capacity is shown to be a totally different entity from stress development capacity and, in the framework of performance based design, bar slip and the length of debonding are calculated as functions of the bar strain at the loaded-end, to be used in calculations of pullout rotation at monolithic member connections. Analytical results are explored parametrically to lead to design charts for practical use of the paper's findings but also to identify the implications of the phenomena studied on the detailing requirements in the plastic hinge regions of flexural members including post-earthquake retrofits.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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