The effectiveness of tuned mass dampers (TMDs) in reducing the seismic response of civil structures is still a debated issue. The few studies regarding TMDs on inelastic structures indicate that they would perform well under moderate earthquake loading, when the structure remains linear or weakly nonlinear, while tending to fail under severe ground shaking, when the structure experiences strong nonlinearities. TMD seismic efficiency should be therefore rationally assessed by considering to which extent moderate and severe earthquakes respectively contribute to the expected cost of damages and losses over the lifespan of the structure. In this paper, a method for evaluating, in a life-cycle cost (LCC) perspective, the seismic effectiveness of TMDs on inelastic building structures is presented and exemplified on the SAC LA 9-storey steel moment-resisting frame benchmark building. Results show that the LCC concept may provide an appropriate alternative to traditional performance criteria for the evaluation of the effectiveness of TMDs and that TMD installation on typical existing middle-rise buildings in high seismic hazard regions may significantly reduce building lifetime cost despite the poor control performance observed under the most severe seismic events.
This paper addresses numerically the behavior of steel structures under Fire-after-Earthquake (FAE) loading. The study is focused on a four-storey library building and takes into account the damage that is induced in structural members due to earthquake. The basic objective is the assessment of both the fire-behavior and the fire-resistance of the structure in the case where the structure is damaged due to earthquake. The combined FAE scenarios involve two different stages: during the first stage, the structure is subjected to the ground motion record, while in the second stage the fire occurs. Different time-acceleration records are examined, each scaled to multiple levels of the Peak Ground Acceleration (PGA) in order to represent more severe earthquakes with lower probability of occurrence. In order to study in a systematic manner the behavior of the structure for the various FAE scenarios, a two-dimensional beam finite element model is developed, using the non-linear finite element analysis code MSC-MARC. The fire resistance of the structure is determined using rotational limits based on the ductility of structural members that are subjected to fire. These limits are temperature dependent and take into account the level of the structural damage at the end of the earthquake and the effect of geometric initial imperfections of structural members.
In this study, a wavelet packet based method is proposed for identifying damage occurrence and damage location for beam-like structures. This method assumes that the displacement or the acceleration response time histories at various locations along a beam-like structure both before and after damage are available for damage assessment. These responses are processed through a proper level of wavelet packet decomposition. The wavelet packet signature (WPS) that consists of wavelet packet component signal energies is calculated. The change of the WPS curvature between the baseline state and the current state is then used to identify the locations of possible damage in the structure. Two numerical studies, one on a 15-storey shear-beam building frame and another on a simply-supported steel beam, and an experimental study on a simply-supported reinforced concrete beam are performed to validate the proposed method. Results show the WPS curvature change can be used to locate both single and sparsely-distributed multiple damages that exist in the structure. Also the accuracy of assessment does not seem to be affected by the presence of 20-15dB measurement noise. One advantage of the proposed method is that it does not require any mathematical model for the structure being monitored and hence can potentially be used for practical application.
Dynamic characteristics, named as natural frequencies, damping ratios and mode shapes, affect the dynamic behavior of buildings and they vary depending on the construction stages. It is aimed to present the effects of construction stages on the dynamic characteristics of reinforced concrete (RC) buildings considering theoretical and experimental investigations. For this purpose, a three-storey RC building model with a 1/2 scale was constructed in the laboratory of Civil Engineering Department at Karadeniz Technical University. The modal testing measurements were performed by using Operational Modal Analysis (OMA) method for the bare frame, brick walled and coated cases of the building model. Randomly generated loads by impact hammer were used to vibrate the building model; the responses were measured by uni-axial seismic accelerometers as acceleration. The building's modal parameters at these construction stages were extracted from the processed signals using the Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD) technique. Also, the finite element models of each case were developed and modal analyses were performed. It was observed from the experimental and theoretical investigations that the natural frequencies of the building model varied depending on the construction stages considerably.
Kim, Hongjin;Kim, Whajung;Kim, Boung-Yong;Hwang, Jae-Seung
Structural Engineering and Mechanics
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v.30
no.2
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pp.191-209
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2008
A structural monitoring system based on cheap and wireless monitoring system is investigated in this paper. Due to low-cost and low power consumption, micro-electro-mechanical system (MEMS) is suitable for wireless monitoring and the use of MEMS and wireless communication can reduce system cost and simplify the installation for structural health monitoring. For system identification using wireless MEMS, a finite element (FE) model updating method through correlation with the initial analytical model of the structure to the measured one is used. The system identification using wireless MEMS is evaluated experimentally using a three storey frame model. Identification results are compared to ones using data measured from traditional accelerometers and results indicate that the system identification using wireless MEMS estimates system parameters with reasonable accuracy. Another smart sensor considered in this paper for structural health monitoring is Lead Zirconate Titanate (PZT) which is a type of piezoelectric material. PZT patches have been applied for the health monitoring of structures owing to their simultaneous sensing/actuating capability. In this paper, the system identification for building structures by using PZT patches functioning as sensor only is presented. The FE model updating method is applied with the experimental data obtained using PZT patches, and the results are compared to ones obtained using wireless MEMS system. Results indicate that sensing by PZT patches yields reliable system identification results even though limited information is available.
A new type of moment-resisting bolted connection was developed for use in composite steel- concrete construction to connect composite open section steel beams to concrete filled steel square tubular columns. The connection was made possible using anchored blind bolts along with two through bolts. It was designed to act compositely with the in-situ reinforced concrete slab to achieve an enhanced stiffness and strength. The developed connection was incorporated in the design of a medium rise (five storey) commercial building which was located in low to medium seismicity regions. The lateral load resisting system for the design building consisted of moment resisting frames in two directions. A major full scale test on a sub-assembly of a perimeter moment-resisting frame of the model building was conducted to study the system behaviour incorporating the proposed connection. The behaviour of the proposed connection and its interaction with the floor slab under cyclic loading representing the earthquake events with return periods of 500 years and 2500 years was investigated. The proposed connection was categorized as semi rigid for unbraced frames based on the classification method presented in Eurocode 3. Furthermore, the proposed connection, composite with the floor slab, successfully provided adequate lateral load resistance for the model building.
Buckling restrained braces (BRBs) were developed as an enhanced alternative to conventional braces by restraining their global buckling, thus allowing development of a stable quasi-symmetric hysteretic response. A wider adoption of buckling restrained braced frames is precluded due to proprietary character of most BRBs and the code requirement for experimental qualification. To overcome these problems, BRBs with capacities corresponding to typical steel multi-storey buildings in Romania were developed and experimentally tested in view of prequalification. In the second part of this paper, a complex nonlinear numerical model for the tested BRBs was developed in the finite element environment Abaqus. The calibration of the numerical model was performed at both component (material models: steel, concrete, unbonding material) and member levels (loading, geometrical imperfections). Geometrically and materially nonlinear analyses including imperfections were performed on buckling restrained braces models under cyclic loading. The calibrated models were further used to perform a parametric study aiming at assessing the influence of the strength of the buckling restraining mechanism, concrete class of the infill material, mechanical properties of steel used for the core, self-weight loading, and frame effect on the cyclic response of buckling restrained braces.
The objective of this paper is to report on a study of the use of unstiffened thin steel plate shear walls (SPSWs) for the seismic performance improvement of reinforced concrete frames with deficient lateral rigidity. The behaviour of reinforced concrete frames during seismic activities was rehabilitated with an alternative and occupant-friendly retrofitting scheme. The study involved tests of eight 1/3 scale, one bay, two storey test specimens under cyclic quasi-static lateral loadings. The first specimen, tested in previous test program, was a reference specimen, and in seven other specimens, steel infill plates were used to replace the conventional infill brick or the concrete panels. The identification of the load-deformation characteristics, the determination of the level of improvement in the overall strength, and the elastic post-buckling stiffness were the main issues investigated during the quasi-static test program. With the introduction of the SPSWs, it was observed that the strength, stiffness and energy absorption capacities were significantly improved. It was also observed that the experimental hysteresis curves were stable, and the composite systems showed excellent energy dissipation capacities due to the formation of a diagonal tension field action along with a diagonal compression buckling of the infill plates.
Within the context of Structural Health Monitoring (SHM), it is often the case that structural systems are described by uncertainty, both with respect to their parameters and the characteristics of the input loads. For the purposes of system identification, efficient modeling procedures are of the essence for a fast and reliable computation of structural response while taking these uncertainties into account. In this work, a reduced order metamodeling framework is introduced for the challenging case of nonlinear structural systems subjected to earthquake excitation. The introduced metamodeling method is based on Nonlinear AutoRegressive models with eXogenous input (NARX), able to describe nonlinear dynamics, which are moreover characterized by random parameters utilized for the description of the uncertainty propagation. These random parameters, which include characteristics of the input excitation, are expanded onto a suitably defined finite-dimensional Polynomial Chaos (PC) basis and thus the resulting representation is fully described through a small number of deterministic coefficients of projection. The effectiveness of the proposed PC-NARX method is illustrated through its implementation on the metamodeling of a five-storey shear frame model paradigm for response in the region of plasticity, i.e., outside the commonly addressed linear elastic region. The added contribution of the introduced scheme is the ability of the proposed methodology to incorporate uncertainty into the simulation. The results demonstrate the efficiency of the proposed methodology for accurate prediction and simulation of the numerical model dynamics with a vast reduction of the required computational toll.
Band windows are commonly used in reinforced concrete structures for the purpose of ventilation and lighting. These applications shorten the lengths of the columns and, consequently, they are subject to higher shear forces as compared with those of hollow frames. Such short columns may cause some damages during earthquakes. Hence, these effects of short columns should be minimized by choosing the dimensions of the band windows properly in order to prevent serious damages in the structure. This can be achieved by taking into account the parameters that are crucial in causing short column effect. Hence, in this study, the effects of those parameters such as the widths and heights of the band windows, the number of bays and storeys within the frame, and the heights of storeys are examined. The effects of the parameters are analyzed using time history analysis. One of the important results of these analyses, is that, the widths of the band windows should be less than 60% of the clear span between the columns, whereas, their heights should be greater than 35% of the clear storey height in order to decrease the short column effects substantially during the design of the reinforced concrete structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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