Wind fragility analysis provides a quantitative instrument for delineating the safety performance of civil structures under hazardous wind loading conditions such as cyclones and tornados. It has attracted and would be expected to continue to attract intensive research spotlight particularly in the nowadays worldwide context of adapting to the changing climate. One of the challenges encumbering efficacious assessment of the safety performance of existing civil structures is the possible incompleteness of the structural appraisal data. Addressing the issue of the data missingness, the study presented in this paper forms a first attempt to investigate the feasibility of using the expectation-maximization (EM) algorithm and Bayesian techniques to predict the wind fragilities of existing civil structures. Numerical examples of typical linear or hysteretic shear frames are introduced with the wind loads derived from a widely used power spectral density function. Specifically, the application of the maximum a posteriori estimates of the distribution parameters for the story stiffness is examined, and a surrogate model is developed and applied to facilitate the nonlinear response computation when studying the fragilities of the hysteretic shear frame involved.
In the present study, exterior beam column sub-assemblages are designed in accordance with the codal stipulations prevailed at different times prior to the introduction of modern seismic provisions, viz., i) Gravity load designed with straight bar anchorage (SP1), ii) Gravity load designed with compression anchorage (SP1-D), iii) designed for seismic load but not detailed for ductility (SP2), and iv) designed for seismic load and detailed for ductility (SP3). Comparative seismic performance of these exterior beam-column sub-assemblages are evaluated through experimental investigations carried out under repeated reverse cyclic loading. Seismic performance parameters like load-displacement hysteresis behavior, energy dissipation, strength and stiffness degradation, and joint shear deformation of the specimens are evaluated. It is found from the experimental studies that with the evolution of the design methods, from gravity load designed to non-ductile and then to ductile detailed specimens, a marked improvement in damage resilience is observed. The gravity load designed specimens SP1 and SP1-D respectively dissipated only one-tenth and one-sixth of the energy dissipated by SP3. The specimen SP3 showcased tremendous improvement in the energy dissipation capacity of nearly 2.56 times that of SP2. Irrespective of the level of design and detailing, energy dissipation is finally manifested through the damage in the joint region. The present study underlines the seismic deficiency of beam-column sub-assemblages of different design evolutions and highlights the need for their strengthening/retrofit to make them fit for seismic event.
Kalogeropoulos, George I.;Tsonos, Alexander-Dimitrios G.
Earthquakes and Structures
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v.16
no.3
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pp.279-293
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2019
The overall seismic performance of existing pre 1960-70s reinforced concrete (RC) structures is significantly affected by the inadequate length of columns' lap-spliced reinforcement. Due to this crucial structural deficiency, the cyclic response is dominated by premature bond - slip failure, strength and stiffness degradation, poor energy dissipation capacity and low ductility. Recent earthquakes worldwide highlighted the importance of improving the load transfer mechanism between lap-spliced bars, while it was clearly demonstrated that the failure of lap splices may result in a devastating effect on structural integrity. Extensive experimental and analytical research was carried out herein, to evaluate the effectiveness and reliability of strengthening techniques applied to RC columns with lap-spliced reinforcement and also accurately predict the columns' response during an earthquake. Ten large scale cantilever column subassemblages, representative of columns found in existing pre 1970s RC structures, were constructed and strengthened by steel or RC jacketing. The enhanced specimens were imposed to earthquake-type loading and their lateral response was evaluated with respect to the hysteresis of two original and two control subassemblages. The main variables examined were the lap splice length, the steel jacket width and the amount of additional confinement offered by the jackets. Moreover, an analytical formulation proposed by Tsonos (2007a, 2019) was modified appropriately and applied to the lap splice region, to calculate shear stress developed in the concrete and predict if yielding of reinforcement is achieved. The accuracy of the analytical method was checked against experimental results from both the literature and the experimental work included herein.
A modified mechanical model of pre-pressed spring self-centering energy dissipation (PS-SCED) brace is proposed, and the hysteresis band is distinguished by the indication of relevant state variables. The MDOF frame system equipped with the braces is formulated in an incremental form of linear acceleration method. A multi-objective genetic algorithm (GA) based brace parameter optimization method is developed to obtain an optimal solution from the primary design scheme. Parameter sensitivities derived by the direct differentiation method are used to modify the change rate of parameters in the GA operator. A case study is conducted on a steel braced frame to illustrate the effect of brace parameters on node displacements, and validate the feasibility of the modified mechanical model. The optimization results and computational process information are compared among three cases of different strategies of parameter change as well. The accuracy is also verified by the calculation results of finite element model. This work can help the applications of PS-SCED brace optimization related to parameter sensitivity, and fulfill the systematic design procedure of PS-SCED brace-structure system with completed and prospective consequences.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.6
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pp.437-443
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2021
In this study, the use of a steel yielding damper is considered as an appropriate method to enhance the behavior of CBFs and a steel damper which is economical and straightforward to construct and replace after a severe earthquake is developed. The proposed damper was investigated experimentally and numerically. In addition, a parametric study was performed to evaluate the effect of the three types of damper mechanisms (shear, shear-flexural, and flexural) on the behavior of the proposed damper. The experimental results, as well as the numerical results, indicate that the shear damper exhibits better performance than the other dampers in terms of strength and stiffness.
In near-fault earthquake prone areas, the velocity pulse-like seismic waves often results in excessive horizontal displacement for structures, which may result in severe structural failure during large or near-fault earthquakes. The recently developed isolator-gap damper (IGD) systems provide a solution for the large horizontal displacement of long period base-isolated structures. However, the hysteresis characteristics of the IGD system are significantly different from the traditional hysteretic behavior. At present, the hysteretic behavior is difficult to be reflected in the structural analysis and performance evaluation especially under random earthquake excitations for lacking of effective analysis models which prevent the application of this kind of IGD system. In this paper, we propose a mathematical hysteretic model for the IGD system that presents its nonlinear hysteretic characteristics. The equivalent linearization is conducted on this nonlinear model, which requires the variances of the IGD responses. The covariance matrix for the responses of the structure and the IGD system is obtained for random earthquake excitations represented by the Kanai-Tajimi spectrum by solving the Lyapunov equation. The responses obtained by the equivalent linearization are verified in comparison with the nonlinear responses by the Monte Carlo simulation (MCS) analysis for random earthquake excitations.
Linfeng Lu;Songlin Ding;Yuzhou Liu;Zhaojia Chen;Zhongpeng Li
Steel and Composite Structures
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v.47
no.3
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pp.375-382
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2023
The H-shaped steel beam is popular due to its ease of manufacturing and connection to the column. This profile, which is used as a shallow beam, needs the high weak-axis bending stiffness and torsional stiffness to meet the overall stability. Achieving the local beam flange stability, bearing capacity, bending stiffness, and torsional requirements need a great thickness and width of the beam flange, which causes, which will cause more uneconomical structural design. So, the box-section beam is the ideal alternative. However, the current design specifications do not have design rules for the bolt-and-welded connection of the box-section beam and box-section column. The paper proposes a novel bolt-and-welded connection of the box-section beams and box-section columns based on a high-rise structural design scheme. Three connection models, BASE, WBF, and RBS, are analyzed under cyclic loading in ABAQUS software. The failure modes, hysteresis response, bearing capacity, ductility, plastic rotation angle, energy dissipation, and stiffness degradation of all models are determined and compared. Compared with the other two models, the model WBF exhibited excellent seismic performance, ductility, and plastic rotation ability. Finally, model WBF was chosen as the connection scheme used in the project design.
Masonry arch bridges as a vital infrastructure were not designed for seismic loads. Given that masonry arch bridges are made up of various components, their contribution under the seismic actions can be very undetermined and each of these structural components can play a different role in energy dissipation. Iran is known as a high-risk area in terms of seismic excitations and according to the seismic hazard zoning classification of Iran, most of these railway infrastructures are placed in the high and very high seismicity zones or constructed near the major faults. Besides, these ageing structures are deteriorated and thus in recent years, some of these bridges using various retrofitting approaches, including sprayed concrete technique are strengthened. Therefore, investigating the behavior of these restored structures with new characteristics is very significant. The aim of this study is to investigate the cyclic in-plane performance of masonry arch bridges retrofitted by sprayed concrete technique through the finite element simulation. So, by considering the fill-arch interaction, the nonlinear behavior of a bridge has been investigated. Finally, by extracting the hysteresis and enveloping curves of the retrofitted and non-retrofitted bridge, the effect of strengthening on energy absorption and degradation of material has been investigated.
In the last decades, valuable results have been reported regarding conventional passive, active, semi-active, and hybrid structural control systems on two-dimensional and a few three-dimensional shear buildings. In this research, using a three-dimensional finite element model of high-rise concrete structures, designed by performance based plastic design method, it was attempted to construct a relatively close to reality model of concrete structures equipped with Tuned Mass Damper (TMD) by considering the effect of soil-structure interaction (SSI), torsion effect, hysteresis behavior and cracking effect of concrete. In contrast to previous studies which have focused mainly on linearly designed structures, in this study, using performance-based plastic design (PBPD) design approach, nonlinear behavior of the structures was considered from the beginning of the design stage. Inelastic time history analysis on a detailed model of twenty-story concrete structure was performed under a far-field ground motion record set. The seismic responses of the structure by considering SSI effect are studied by eight main objective functions that are related to the performance of the structure, containing: lateral displacement, acceleration, inter-story drift, plastic energy dissipation, shear force, number of plastic hinges, local plastic energy and rotation of plastic hinges. The tuning problem of TMD based on tuned mass spectra is set by considering five of the eight previously described functions. Results reveal that the structural damage distribution range is retracted and inter-story drift distribution in height of the structure is more uniform. It is strongly suggested to consider the effect of SSI in structural design and analysis.
Corrugated steel plate shear wall (CSPSW) as an innovative lateral load resisting system provides various advantages in comparison with the flat steel plate shear wall, including remarkable in-plane and out-of-plane stiffnesses and stability, greater elastic shear buckling stress, increasing the amount of cumulative dissipated energy and maintaining efficiency even in large story drifts. Employment of low yield point (LYP) steel web plate in steel shear walls can dramatically improve their structural performance and prevent early stage instability of the panels. This paper presents a comprehensive structural performance assessment of corrugated low yield point steel plate shear walls having circular openings located in different positions. Accordingly, following experimental verification of CSPSW finite element models, several trapezoidally horizontal CSPSW (H-CSPSW) models having LYP steel web plates as well as circular openings (for ducts) perforated in various locations have been developed to explore their hysteresis behavior, cumulative dissipated energy, lateral stiffness, and ultimate strength under cyclic loading. Obtained results reveal that the rehabilitation of damaged steel shear walls using corrugated LYP steel web plate can enhance their structural performance. Furthermore, choosing a suitable location for the circular opening regarding the design purpose paves the way for the achievement of the shear wall's optimal performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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