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.
Kostinakis, Konstantinos G.;Athanatopoulou, Asimina M.
Earthquakes and Structures
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v.9
no.5
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pp.1091-1114
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2015
The adequacy of a number of advanced earthquake Intensity Measures (IMs) to predict the structural damage of earthquake resistant 3D R/C buildings is investigated in the present paper. To achieve this purpose three symmetric in plan and three asymmetric 5-storey R/C buildings are analyzed by nonlinear time history analysis using 74 bidirectional earthquake records. The two horizontal accelerograms of each ground motion are applied along the structural axes of the buildings and the structural damage is expressed in terms of the maximum and average interstorey drift as well as the overall structural damage index. For each individual pair of accelerograms the values of the aforementioned seismic damage measures are determined. Then, they are correlated with several strong motion scalar IMs that take into account both earthquake and structural characteristics. The research identified certain IMs which exhibit strong correlation with the seismic damage measures of the studied buildings. However, the degree of correlation between IMs and the seismic damage depends on the damage measure adopted. Furthermore, it is confirmed that the widely used spectral acceleration at the fundamental period of the structure is a relatively good IM for medium rise R/C buildings that possess small structural eccentricity.
In order to study the working mechanism of rectangular steel-concrete composite columns subjected to compression-bending load and further determine the seismic performance index, a bottom strengthened rectangular steel reinforced concrete (SRC) column with concealed steel plates and a bottom strengthened rectangular concrete filled steel tube (CFST) columns were proposed. Six column models with different configurations were tested under horizontal low cyclic loading. Based on the experiments, the load-bearing capacity, stiffness and degradation process, ductility, hysteretic energy dissipation capacity, and failure characteristics of the models were analyzed. The load-bearing capacity calculation formulas for a normal section and an oblique section of bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns were pesented and a finite element (FE) numerical simulation of the classical specimens was performed. The study shows that the load-bearing capacity, ductility, and seismic energy dissipation capacity of the bottom strengthened rectangular steel-concrete composite columns are significantly improved compared to the conventional rectangular steel-concrete composite columns and the results obtained from the calculation and the FE numerical simulation are in good agreement with those from the experiments. The rectangular steel-concrete composite column with bottom strengthened shows better seismic behavior and higher energy dissipation capacity under suitable constructional requirements and it can be applied to the structure design of high-rise buildings.
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.
Seismic design method based on bearing capacity has been widely adopted in building codes around the world, however, damage and collapse state of structure under strong earthquake can not be reflected accurately. This paper aims to present a deformation-based seismic design method based on the research of RC component deformation index limit, which combines with the feature of Chinese building codes. In the proposed method, building performance is divided into five levels and components are classified into three types according to their importance. Five specific design approaches, namely, "Elastic Design", "Unyielding Design", "Limit Design", "Minimum Section Design" and "Deformation Assessment", are defined and used in different scenarios to prove whether the seismic performance objectives are attained. For the components which exhibit ductile failure, deformation of components under strong earthquake are obtained quantitatively in order to identify the damage state of the components. For the components which present brittle shear failure, their performance is guaranteed by bearing capacity. As a case study, seismic design of an extremely irregular twin-tower high rise building was carried out according to the proposed method. The results evidenced that the damage and anti-collapse ability of structure were estimated and controlled by both deformation and bearing capacity.
The dynamic response and seismic damage of single-layer reticulated shells in the near field of a rupturing fault can be different from those in the far field due to the different characteristics in the ground motions. To investigate the effect, the dynamic response and seismic damage of this spatial structures subjected to two different ground motions were numerically studied by nonlinear dynamic response analysis. Firstly, twelve seismic waves with an apparent velocity pulse, including horizontal and vertical seismic waves, were selected to represent the near-fault ground motion characteristics. In contrast, twelve seismic records recorded at the same site from other or same events where the epicenter was far away from the site were employed as the far-fault ground motions. Secondly, the parametric modeling process of Kiewitt single-layer reticulated domes using the finite-element package ANSYS was described carefully. Thirdly, a nonlinear time-history response analysis was carried out for typical domes subjected to different earthquakes, followed by analyzing the dynamic response and seismic damage of this spatial structures under two different ground motions based on the maximum nodal displacements and Park-Ang index as well as dissipated energy. The results showed that this spatial structures in the near field of a rupturing fault exhibit a larger dynamic response and seismic damage than those obtained from far-fault ground motions. In addition, the results also showed that the frequency overlap between structures and ground motions has a significant influence on the dynamic response of the single-layer reticulated shells, the duration of the ground motions has little effects.
Lee, Young Cheon;Jeoung, Chae Myeoung;Lee, Eun Jin;Kim, Myung Hoon;Choi, Ki Bong
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.1
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pp.55-63
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2013
In this study, seismic performance was evaluated considering the deterioration level for the low-rise and moderate buildings with non-seismic details which are most common in Korea. Evaluation results showed that the deterioration condition is relatively good even after 24 years of construction but the seismic performance did not satisfy the protection index in the first and second evaluation. In case of the third evaluation, the goal performance was satisfied based on the interstory drift ratio but reinforcement is found to be necessary. Seismic performance was evaluated after the target buildings were reinforced in the walls, bracing, and damper. Results showed the interstory drift ratio drastically reduced regardless of reinforcement methods and satisfied the level of immediate occupancy. In case of wall reinforcement, however, base shear increased more than double which requires review on the existing foundation.
Glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars have been introduced as an effective alternative for the conventional steel reinforcement in concrete structures to mitigate the costly consequences of steel corrosion. However, despite the superior performance of these composite materials in terms of corrosion, the effect of replacing steel reinforcement with GFRP on the seismic performance of concrete structures is not fully covered yet. To address some of the key parameters in the seismic behavior of GFRP-reinforced concrete (RC) structures, two full-scale beam-column joints reinforced with GFRP bars and stirrups were constructed and tested under two phases of loading, each simulating a severe ground motion. The objective was to investigate the effect of damage due to earthquakes on the service and ultimate behavior of GFRP-RC moment-resisting frames. The main parameters under investigation were geometrical configuration (interior or exterior beam-column joint) and joint shear stress. The performance of the specimens was measured in terms of lateral load-drift response, energy dissipation, mode of failure and stress distribution. Moreover, the effect of concrete damage due to earthquake loading on the performance of beam-column joints under service loading was investigated and a modified damage index was proposed to quantify the magnitude of damage in GFRP-RC beam-column joints under dynamic loading. Test results indicated that the geometrical configuration significantly affects the level of concrete damage and energy dissipation. Moreover, the level of residual damage in GFRP-RC beam-column joints after undergoing lateral displacements was related to reinforcement ratio of the main beams.
This study presents an experiment and analysis to compare the seismic behavior of full-scale reinforced concrete beam-column joint strengthened by prestressed steel strips, externally bonded steel plate, and CFRP sheets. For experimental investigation, five specimens, including one joint without any retrofitting, one joint retrofitted by externally bonded steel plate, one joint retrofitted by CFRP sheets, and two joints retrofitted by prestressed steel strips, were tested under cyclic-reserve loading. The failure mode, strain response, shear deformation, hysteresis behavior, energy dissipation capacity, stiffness degradation and damage indexes of all specimens were analyzed according to experimental study. It was found that prestressed steel strips, steel plate and CFRP sheets improved shear resistance, energy dissipation capacity, stiffness degradation behavior and reduced the shear deformation of the joint core area, as well as changed the failure pattern of the specimen, which led to the failure mode changed from the combination of flexural failure of beams and shear failure of joints core to the flexural failure of beams. In addition, the beam-column joint retrofitted by steel plate exhibited a high bearing capacity, energy consumption capacity and low damage index compared with the joint strengthened by prestressed steel strip, and the prestressed steel strips reinforced joint showed a high strength, energy dissipation capacity and low shear deformation, stirrups strains and damage index compared to the CFRP reinforced joint, which indicated that the frame joints strengthened with steel plate exhibited the most excellent seismic behavior, followed by the prestressed steel strips.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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