Favvata, Maria J.;Naoum, Maria C.;Karayannis, Chris G.
Structural Engineering and Mechanics
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제47권6호
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pp.791-818
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2013
The seismic performance of reinforced concrete (RC) frame structures with irregularities leading to soft first floor is studied using capacity assessment procedures. The soft first story effect is investigated for the cases: (i) slab-column connections without beams at the first floor, (ii) tall first story height and (iii) pilotis type building (open ground story). The effects of the first floor irregularity on the RC frame structure performance stages at global and local level (limit states) are investigated. Assessment based on the Capacity Spectrum Method (ATC-40) and on the Coefficient Method (FEMA 356) is also examined. Results in terms of failure modes, capacity curves, interstory drifts, ductility requirements and infills behaviour are presented. From the results it can be deduced that the global capacity of the structures is decreased due to the considered first floor morphology irregularities in comparison to the capacities of the regular structure. An increase of the demands for interstory drift is observed at the first floor level due to the considered irregularities while the open ground floor structure (pilotis type) led to even higher values of interstory drift demands at the first story. In the cases of tall first story and slab-column connections without beams soft-story mechanisms have also been observed at the first floor. Rotational criteria (EC8-part3) showed that the structure with slab-column connections without beams exhibited the most critical response.
The uncertainties involved in structural performances are of importance when the optimum number and property of seismic retrofit devices are determined. This paper proposes a seismic retrofit design framework for asymmetric soft-first-story buildings, considering uncertainties in the soil condition and seismic retrofit device. The effect of the uncertain parameters on the structural performance is used to find a robust and optimal seismic retrofit solution. The framework finds a robust and optimal seismic retrofit solution by finding the optimal locations and mechanical properties of the seismic retrofit device for different realizations of the uncertain parameters. The structural performance for each realization is computed to evaluate the effect of the uncertainty parameters on the seismic performance. The framework utilizes parallel processing to decrease the computationally intensive nonlinear dynamic analysis time. The framework returns a robust design solution that satisfies the given limit state for every realization of the uncertain parameters. The proposed framework is applied to the seismic retrofit design of a five-story asymmetric soft-first-story case study structure retrofitted with a viscoelastic damper. Robust optimal parameters for retrofitting a structure to satisfy the limit state for the different realizations of the uncertain parameter are found using the proposed framework. According to the performance evaluation results of the retrofitted structure, the developed framework is proved effective in the seismic retrofit of the asymmetric structure with inherent uncertainties.
This paper studied the effect of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response and retrofit of a reinforced concrete structure with a soft-first story for different soil types. A 5-story structure built on a 30m deep homogeneous soil mass was considered as a case study structure, and steel column jacketing and steel bracing were chosen as seismic retrofit methods. Seismic responses of a fixed-base and a flexible base structure subjected to seven scaled earthquake records were obtained using the software OpenSees to investigate the effect of soil on seismic response and retrofit. The nonlinearBeamColumn elements with the fiber sections were used to simulate the nonlinear behavior of the beams and columns. Soil properties were defined based on shear wave velocity according to categorized site classes defined in ASCE-7. The finite element model of the soil was made using isoparametric four-noded quadrilateral elements and the nonlinear dynamic responses of the combined system of soil and structure were calculated in the OpenSees. The analysis results indicate that the soil-structure interaction plays an important role in the seismic performance and retrofit of a structure with a soft-first story. It was observed that column steel jacketing was effective in the retrofit of the model structure on a fixed base, whereas stronger retrofit measures such as steel bracing were needed when soil-structure interaction was considered.
Soft-story buildings have bottom stories much less rigid than the top stories and are susceptible to earthquake damage. Therefore, the seismic design specifications need strict design considerations in such cases. In this paper, a four-story building was investigated as a case study and the effects of X-braces elimination in its lower stories studied. In addition, the possibility of replacement of the X-braces in soft-stories with equivalent moment resisting frame inspected in two different phases. In first phase, the stiffness of X-braces and equivalent moment-resisting frames evaluated using classic equations. In final phase, diagonals removed from the lowest story to develop a soft-story and replaced with moment resisting frames. Then, the seismic stiffness variation of moment-resisting frame evaluated using nonlinear static and dynamic analyses. The results show that substitution of braced frames with an equivalent moment-resisting frame of the same stiffness increases story drift and reduces energy absorption capacity. However, it is enough to consider the needs of building codes, even using equivalent moment resisting frame instead of X-Braces, to avoid soft-story stiffness irregularity in seismic design of buildings. Besides, soft-story development in the second story may be more critical under strong ground excitations, because of interaction of adjacent stories.
Generally, the goal of seismic retrofit design of an existing structure using energy dissipation devices is to determine the optimum design parameters of a retrofit device to satisfy a specified limit state with minimum cost. However, the presence of multiple parameters to be optimized and the computational complexity of performing non-linear analysis make it difficult to find the optimal design parameters in the realistic 3D structure. In this study, genetic algorithm-based optimal seismic retrofit methods for determining the required number, yield strength, and location of steel slit dampers are proposed to retrofit an asymmetric soft first-story structure. These methods use a multi-objective and single-objective evolutionary algorithms, each of which varies in computational complexity and incorporates nonlinear time-history analysis to determine seismic performance. Pareto-optimal solutions of the multi-objective optimization are found using a non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). It is demonstrated that the developed multi-objective optimization methods can determine the optimum number, yield strength, and location of dampers that satisfy the given limit state of a three-dimensional asymmetric soft first-story structure. It is also shown that the single-objective distribution method based on minimizing plan-wise stiffness eccentricity turns out to produce similar number of dampers in optimum locations without time consuming nonlinear dynamic analysis.
Tohamy, Mohamed. A.;Elsayed, Mostafa. M.;Akl, Adel. Y.
Earthquakes and Structures
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제22권3호
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pp.319-330
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2022
Retrofit of soft-story buildings due to seismic loads using Gap-Inclined-Brace (GIB) system is considered a new retrofit technique that aims to maintain both strength and stiffness of structure. In addition, it provides more ductility and less P-delta effect, and subsequently better performance is observed. In this paper, the effect of the eccentricity between GIB and the retrofitted column due to installation on the efficiency of the retrofitting system is studied. In addition, a modification in the determination method of GIB properties is introduced to reduce the eccentricity effect. Also, the effect of GIB system on the seismic response of mid-rise buildings with different heights considering soft-story at various heights has been studied. A numerical model is developed to study the impact of such system on the response of retrofitted soft-story buildings under the action of seismic loads. To achieve that goal, this model is used to perform a numerical investigation, by considering five case study scenarios represent several locations of soft-story of two mid-rise reinforced concrete buildings. At first, Non-linear static pushover analysis was carried out to develop the capacity curves for case studies. Then, Non-linear time history analyses using ten earthquake records with five peak ground accelerations is performed for each case study scenario before and after retrofitting with GIB. The results show that large GIB eccentricity reduce the ultimate lateral resistance and deformation capacity of the retrofitting system. Moreover, the higher the retrofitted building, the more deformation capacity is observed but without significant increase in ultimate lateral resistance.
This study focused on the effectiveness of seismic isolation technique in case of a reinforced concrete structure with soft story defined as the stiffness irregularity between adjacent stories. In this context, a seismically isolated 3-story reinforced concrete structure was analyzed by gradually increasing the first story height (3.0, 4.5, and 6.0 m). The seismic isolation system of the structure is assumed to be composed of lead rubber bearings (LRB). In the analyses, isolators were modeled by both deteriorating (temperature-dependent analyses) and non-deteriorating (bounding analyses) hysteretic representations. The deterioration in strength of isolator is due to temperature rise in the lead core during cyclic motion. The ground motion pairs used in bi-directional nonlinear dynamic analyses were selected and scaled according to codified procedures. In the analyses, different isolation periods (Tiso) and characteristic strength to weight ratios (Q/W) were considered in order to determine the sensitivity of structural response to the isolator properties. Response quantities under consideration are floor accelerations, and interstory drift ratios. Analyses results are compared for both hysteretic representations of LRBs. Results are also used to assess the significance of the ratio between the horizontal stiffnesses of soft story and isolation system. It is revealed that seismic isolation is a viable method to reduce structural damage in structures with soft story.
In this study a new hysteretic damper for seismic retrofit of soft-first story structures is proposed and its seismic retrofit effect is evaluated. The damper consists of one steel column member and two flexural fuses at both ends made of steel plates with reduced section, which can be placed right beside existing columns in order to minimize interference with passengers and automobiles in the installed bays. The relative displacement between the stories forms flexural plastic hinges at the fuses and dissipate seismic energy. The theoretical formulation and the design procedure based on plastic analysis is provided for the proposed damper, and the results are compared with a detailed finite-element (FE) model. In order to apply the damper in structural analysis, a macromodel of the damper is also developed and calibrated by the derived theoretical formulas. The results are compared with the detailed FE analysis, and the efficiency of the damper is further validated by the seismic retrofit of a case study structure and assessing its seismic performance before and after the retrofit. The results show that the proposed hysteretic damper can be used effectively in reducing damage to soft-first story structures.
This study aimed to develop a seismic retrofit technique using a steel frame which can be easily transported and assembled on site. This enables the retrofit steel frame to be easily attached to an existing structure minimizing the unwanted gap between the structure and the steel frame assembly. A one-story one-bay RC frame was tested with and without seismic retrofit using the proposed steel frame to verify the seismic retrofit effect of the proposed system, and an analysis model was developed in Opensees for seismic performance evaluation of a case study soft first-story model structure retrofitted with the developed steel frame assembly. Seismic performance of the model structure was also evaluated considering soil structure interaction effect. The experimental study confirmed that the proposed seismic retrofit system can be applied effectively to improve the seismic performance of framed structures. Time history analysis results of the model structure showed that the proposed steel frame assembly was effective in increasing the seismic load resisting capacity of the soft first-story structure. However more steel frame assemblies were required to satisfy the given performance limit state of the model structure located on weak soil due to the negative soil-structure interaction effect.
In this research, the efficiency of a metallic energy dissipation device for seismic retrofit of an existing structure is evaluated by cyclic loading test. The proposed device, which is called multi-slit damper, is made of weak and strong slit dampers connected in series. Its energy dissipation mechanism consists of two stages: (i) yielding of the weak-slit damper under minor earthquakes; (ii) restraint of further deformations of the weak slit damper and activation of the strong slit damper under major earthquakes using a gap mechanism. A reinforced concrete (RC) frame with characteristics similar to soft-first-story structures is tested under cyclic loading before and after retrofit using the proposed device. The details of the experimental study are described and the test is simulated in an available commercial software to validate the analytical model of the damper. To further verify the applicability of the damper, it is applied to an analysis model of a 4-story structure with soft first story and its seismic performance is evaluated before and after retrofit. The experimental and analysis results show that the multi-slit damper is effective in controlling seismic response of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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