Earthquake response of steel braces and braced steel frames

This thesis consists of three parts. Chapter 2 deals with the dynamic buckling behavior of steel braces under cyclic axial end displacement. Braces under such a loading condition belong to a class of "acceleration magnifying" structural components, in which a small motion at the loading points can cause large internal acceleration and inertia. This member-level inertia is frequently ignored in current studies of braces and braced structures. This chapter shows that, under certain conditions, the inclusion of the member-level inertia can lead to brace behavior fundamentally different from that predicted by the quasi-static method. This result is to have significance in the correct use of the quasi-static, pseudo-dynamic and static condensation methods in the simulation of braces or braced structures under dynamic loading. The strain magnitude and distribution in the braces are also studied in this chapter.

Chapter 3 examines the effect of column uplift on the earthquake response of braced steel frames and explores the feasibility of flexible column-base anchoring. It is found that fully anchored braced-bay columns can induce extremely large internal forces in the braced-bay members and their connections, thus increasing the risk of failures observed in recent earthquakes. Flexible braced-bay column anchoring can significantly reduce the braced bay member force, but at the same time also introduces large story drift and column uplift. The pounding of an uplifting column with its support can result in very high compressive axial force.

Chapter 4 conducts a comparative study on the effectiveness of a proposed non-buckling bracing system and several conventional bracing systems. The non-buckling bracing system eliminates buckling and thus can be composed of small individual braces distributed widely in a structure to reduce bracing force concentration and increase redundancy. The elimination of buckling results in a significantly more effective bracing system compared with the conventional bracing systems. Among the conventional bracing systems, bracing configurations and end conditions for the bracing members affect the effectiveness.

The studies in Chapter 3 and Chapter 4 also indicate that code-designed conventionally braced steel frames can experience unacceptably severe response under the strong ground motions recorded during the recent Northridge and Kobe earthquakes.

Application of crescent shaped braces for reinforced concrete structures

The work done is about the seismic analysis of an existing reinforced concrete structure that is equipped with a special bracing device. The main objective of the research is to provide a simple procedure that can be followed in order to design the lateral bracing system in such a way that the actual behavior of the structure matches the desired pre-defined objective curve. a great attention is devoted to the internal actions in the structural elements produced by the braces. The device used is called: Crescent shaped braces. This device is a special type of bracing because it has a banana-like geometry that allows the designer to have more control over the stiffness of the structure, especially under cyclic behavior, Unlike the conventional bracing that resists only through its axial stiffness. This device has been installed in a hospital in Italy. However, it has not been exposed to any ground motion so far. Different analysis methods, such as static pushover and dynamic time-history have been used in the analysis of the structure.

Experimental and Analytical Study of Masonry Infill Reinforced Concrete Frames Retrofitted with Steel Braces

In the present work a seismic retrofitting technique is proposed for masonry infilled reinforced concrete frames based on the replacement of infill panels by K-bracing with vertical shear link. The performance of this technique is evaluated through experimental tests. A simplified numerical model for structural damage evaluation is also formulated according to the notions and principles of continuum damage mechanics. The proposed model is calibrated with the experimental results. The experimental results have shown an excellent energy dissipation capacity with the proposed technique. Likewise, the numerical predictions with the proposed model are in good agreement with experimental results.

Utah braces for the future.

Mode of access: Internet.

A retrofitting framework for pre-Northridge steel moment-frame buildings

In the 1994 M_w 6.7 Northridge and 1995 M_w 6.9 Kobe earthquakes, steel moment-frame buildings were exposed to an unexpected flaw. The commonly utilized welded unreinforced flange, bolted web connections were observed to experience brittle fractures in a number of buildings, even at low levels of seismic demand. A majority of these buildings have not been retrofitted and may be susceptible to structural collapse in a major earthquake.

This dissertation presents a case study of retrofitting a 20-story pre-Northridge steel moment-frame building. Twelve retrofit schemes are developed that present some range in degree of intervention. Three retrofitting techniques are considered: upgrading the brittle beam-to-column moment resisting connections, and implementing either conventional or buckling-restrained brace elements within the existing moment-frame bays. The retrofit schemes include some that are designed to the basic safety objective of ASCE-41 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings.

Detailed finite element models of the base line building and the retrofit schemes are constructed. The models include considerations of brittle beam-to-column moment resisting connection fractures, column splice fractures, column baseplate fractures, accidental contributions from ``simple'' non-moment resisting beam-to-column connections to the lateral force-resisting system, and composite actions of beams with the overlying floor system. In addition, foundation interaction is included through nonlinear translational springs underneath basement columns.

To investigate the effectiveness of the retrofit schemes, the building models are analyzed under ground motions from three large magnitude simulated earthquakes that cause intense shaking in the greater Los Angeles metropolitan area, and under recorded ground motions from actual earthquakes. It is found that retrofit schemes that convert the existing moment-frames into braced-frames by implementing either conventional or buckling-restrained braces are effective in limiting structural damage and mitigating structural collapse. In the three simulated earthquakes, a 20% chance of simulated collapse is realized at PGV of around 0.6 m/s for the base line model, but at PGV of around 1.8 m/s for some of the retrofit schemes. However, conventional braces are observed to deteriorate rapidly. Hence, if a braced-frame that employs conventional braces survives a large earthquake, it is questionable how much service the braces provide in potential aftershocks.

Avaliação prospectiva longitudinal da qualidade de vida de adolescentes submetidos a tratamento ortodôntico

A literatura científica ainda não é consistente em relação aos benefícios psicossociais proporcionados pelo tratamento ortodôntico. Os objetivos deste estudo foram conhecer as alterações na qualidade de vida relacionada com a saúde bucal (OHRQoL) e com a autopercepção estética de adolescentes brasileiros de 12 a 15 anos de idade tratados ortodonticamente, durante dois anos de avaliação prospectiva longitudinal. A amostra foi constituída de 318 jovens: 92 que iniciaram tratamento ortodôntico em uma instituição de ensino (grupo orto), e 226 indivíduos não tratados: 124 que procuraram avaliação ortodôntica na mesma instituição e não receberam tratamento durante os dois anos em que foram acompanhados na pesquisa, pois estavam aguardando uma vaga na lista de espera para iniciar o tratamento (grupo de espera), e 102 que nunca buscaram tratamento ortodôntico e que estudam em uma escola vizinha à instituição (grupo escola). A qualidade de vida foi mensurada utilizando o OHIP-14. A necessidade normativa e estética de tratamento ortodôntico foi avaliada com o índice IOTN, o nível social com o Critério de Classificação Econômica Brasil e a saúde dental com o índice CPO-D. As avaliações foram repetidas em três momentos: no exame inicial (T1); um ano depois do início do tratamento ortodôntico, para o grupo orto, e um ano após o exame inicial, para os grupos de espera e escola (T2); e dois anos depois do início do tratamento para o grupo orto, e dois anos depois do exame inicial para os grupos de espera e escola (T3). O tratamento ortodôntico reduziu significativamente os escores de OHRQoL: as médias do escores tiveram uma redução de 10,4 para 9,2 e para 1,6 entre a primeira, segunda e terceira avaliações (p<0,001). A autopercepção estética se comportou de maneira similar, com uma redução progressiva e significativa (p<0,001) nos pacientes tratados, que também tiveram melhora significativa na gravidade da má oclusão (p<0,001). Porém, os indivíduos que removeram o aparelho tiveram OHRQoL e autopercepção estética significativamente melhores em relação aos pacientes que não finalizaram o tratamento no período de dois anos. Os adolescentes do grupo de espera tiveram significativa piora na OHRQoL, que sofreu um aumento de 10,8 para 12,0 da primeira para a terceira avaliações (p<0,001), o que também ocorreu na autoavaliação estética, que sofreu um aumento significativo (p<0,001). Por outro lado, os adolescentes do grupo escola não tiveram nenhuma alteração desses índices nos períodos de avaliação, apresentando uma tendência estacionária para OHRQoL (p=0,34) e para a autopercepção estética (p=0,09). A gravidade da má oclusão não foi alterada nos grupos não tratados durante os dois anos de avaliação e o CPO-D não teve alteração significativa para nenhum dos três grupos. Foi possível concluir que o tratamento ortodôntico melhorou significativamente a qualidade de vida relacionada com a saúde bucal e a autopercepção estética dos adolescentes brasileiros submetidos a tratamento.

Análise de ligações tubulares T com reforço de chapa.

O uso de perfis estruturais tubulares vem aumentando em grande escala no mundo, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levando a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. Diante deste fato, no Brasil, o uso desses perfis era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. A situação do mercado brasileiro começou a se alterar em razão da maior oferta desses perfis proporcionada pelo início da produção pela V&M do BRASIL no ano de 2000. Sendo assim, diante da novidade da tecnologia, impõe-se a necessidade de divulgação e implementação do uso desse tipo de perfil, além de uma ampliação do número de trabalhos de pesquisa para melhor compreensão de seu comportamento estrutural. O presente trabalho apresenta uma análise paramétrica de ligação reforçada tipo T, através da determinação da resistência última da ligação obtida pelo critério de deformação limite proposto por diversos pesquisadores, comparando os resultados com as prescrições do Eurocode 3, do Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004 e do CIDECT. As ligações objeto deste estudo são compostas por perfil tubular retangular (RHS) no banzo e perfis circulares (CHS) nos montantes. Nestas análises verificou-se a influência do reforço na região de encontro de banzo e montante, bem como a influência do esforços atuantes no banzo no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente dessa ligação. Os modelos em elementos finitos, foram desenvolvidos no programa Ansys 12.0. Como resultado final deste trabalho é apresentado o comportamento da ligação tipo T com reforço para diversos tipos de perfis (banzo e montante) e diferentes espessuras da chapa de reforço, fazendo comparação com o dimensionamento proposto pelo Projeto de Norma Brasileira PN 02.125.03-004.

Qualidade de vida em pacientes com más oclusões de Classe III tratados com o protocolo do benefício antecipado

O protocolo do benefício antecipado é uma modalidade de tratamento ortocirúrgico que não envolve o preparo ortodôntico prévio. De acordo com os preceitos da Odontologia baseada em evidências, é essencial que se conheça o impacto dessa modalidade de tratamento na vida diária dos pacientes, uma vez que, para ser considerada viável, deve-se comprovar que ela oferece benefícios significativos para a qualidade de vida. Esse estudo objetivou conhecer os efeitos do tratamento ortocirúrgico com o protocolo do benefício antecipado na qualidade de vida e na autopercepção estética dos pacientes, durante dois anos de acompanhamento, e compará-los com os percebidos pelos pacientes tratados pela técnica tradicional. A amostra foi constituída por dezesseis pacientes, sendo oito no grupo tratado com o benefício antecipado (GBA) e oito no grupo tratado com a técnica ortocirúrgica tradicional. A qualidade de vida dos pacientes foi avaliada com três questionários: o OQLQ (Orthognathic Quality of Life Questionnaire), o OHIP-14 (Oral Health Impact Profile Short Version) e o SF-36 (Medical Outcomes Study 36 Item Short-Form Health Survey), em suas versões traduzidas e validadas para o português, e a autopercepção estética e a gravidade da má oclusão foram avaliadas com o Índice de Necessidade de Tratamento Ortodôntico (IOTN). Os exames foram repetidos em sete momentos de avaliação dos participantes: no exame inicial (T0), um mês depois do início do tratamento (T1), três meses depois do início do tratamento (T2), seis meses depois do início do tratamento (T3), um ano depois do início do tratamento e dois anos após o início do tratamento ou no término do tratamento ortocirúrgico (T5). Para ambos os grupos, houve um tempo pós-operatório (TPO) que foi realizado entre duas e três semanas após a cirurgia ortognática. A análise dos dados foi realizada com os testes de Mann-Whitney e de Friedman. Os pacientes do grupo GBA tiveram uma redução significativa no OQLQ (p<0,001) e no OHIP-14 (p<0,001) após dois anos de avaliação. Essa melhora foi progressiva e iniciada após a realização da cirurgia ortognática. O SF-36 apresentou melhoras significativas nas dimensões de capacidade funcional, limitação por aspectos físicos e aspectos sociais (p<0,001). A autopercepção estética comportou-se de maneira similar, com uma melhora progressiva e significativa (p<0,001), acompanhada de uma melhora significativa na gravidade da má oclusão (p<0,001). Porém os indivíduos que removeram o aparelho tiveram OHRQoL e autopercepção estética melhores em relação aos pacientes que não finalizaram o tratamento no período de dois anos no grupo GBA (N=4). No grupo GTT nenhum paciente foi operado após os dois anos de acompanhamento, e pioras significativas foram observadas no OQLQ (p<0,001) e no OHIP-14 (p<0,001) e na autopercepção estética (p<0,001). O CPO-D não teve alteração significativa para nenhum dos dois grupos. Concluiu-se que o tratamento ortocirúrgico com o protocolo do benefício antecipado gerou efeitos mais positivos na qualidade de vida, na autopercepção estética e na gravidade da má oclusão do que o tratamento ortocirúrgico tradicional após dois anos.

Design optimization of cold-formed steel portal frames taking into account the effect of building topology

Cold-formed steel portal frames are a popular form of construction for low-rise commercial, light industrial and agricultural buildings with spans of up to 20 m. In this article, a real-coded genetic algorithm is described that is used to minimize the cost of the main frame of such buildings. The key decision variables considered in this proposed algorithm consist of both the spacing and pitch of the frame as continuous variables, as well as the discrete section sizes.A routine taking the structural analysis and frame design for cold-formed steel sections is embedded into a genetic algorithm. The results show that the real-coded genetic algorithm handles effectively the mixture of design variables, with high robustness and consistency in achieving the optimum solution. All wind load combinations according to Australian code are considered in this research. Results for frames with knee braces are also included, for which the optimization achieved even larger savings in cost.

An efficient genetic algorithm for the design optimization of cold-formed steel portal frame buildings

The design optimization of a cold-formed steel portal frame building is considered in this paper. The proposed genetic algorithm (GA) optimizer considers both topology (i.e., frame spacing and pitch) and cross-sectional sizes of the main structural members as the decision variables. Previous GAs in the literature were characterized by poor convergence, including slow progress, that usually results in excessive computation times and/or frequent failure to achieve an optimal or near-optimal solution. This is the main issue addressed in this paper. In an effort to improve the performance of the conventional GA, a niching strategy is presented that is shown to be an effective means of enhancing the dissimilarity of the solutions in each generation of the GA. Thus, population diversity is maintained and premature convergence is reduced significantly. Through benchmark examples, it is shown that the efficient GA proposed generates optimal solutions more consistently. A parametric study was carried out, and the results included. They show significant variation in the optimal topology in terms of pitch and frame spacing for a range of typical column heights. They also show that the optimized design achieved large savings based on the cost of the main structural elements; the inclusion of knee braces at the eaves yield further savings in cost, that are significant.

Comparaison des effets sur la croissance des maxillaires de l'utilisation du Forsus® versus celle des élastiques de classe II

Objectif : Évaluer les effets sur la croissance des maxillaires, ainsi que les effets dentaires, de l'utilisation du Forsus versus celle des élastiques de classe II. Matériel et méthode : Un échantillon de 30 patients a été traité sans extraction et a eu une phase d'alignement préliminaire avec appareillage orthodontique fixe complet. Vingt-trois (23) patients (14 filles, 9 garçons) ont été traités à l'aide de Forsus (âge moyen : 13,4 ans) et 7 patients (4 filles, 3 garçons) ont été traités avec des élastiques de classe II (âge moyen : 14,3 ans). Une radiographie céphalométrique a été prise à la fin de la phase d'alignement, juste avant la mise en place de l'appareil myofonctionnel choisi, et une autre au moment de l'enlèvement de l'appareil (temps de port moyen : 0,5 an). Les radiographies ont ensuite été tracées à l'aveugle et 17 mesures ont été sélectionnées pour évaluer l'effet des appareils sur les maxillaires (ANS-PNS, SNA, SNB, ANB, Go-Pg, Ar-Go, Co-Gn, axe Y, Ar-Gn, Ar-Go-Me, FMA, POF/FH, PP/FH, B-Pg(PM), 1/-FH, 1/-/1, /1-PM). Un questionnaire pour évaluer le confort face à leur appareil a été remis aux patients à environ la moitié du temps de port estimé. Résultats : Il n'y a aucune différence statistiquement significative entre les deux traitements sur la croissance du maxillaire (ANS-PNS p = 0,93, SNA p = 0,12). De façon générale, il n'y a pas non plus de différence significative entre les deux traitements sur la croissance de la mandibule (Ar-Gn p = 0,03, SNB p = 0,02 et pour les 6 autres mesures p > 0,05). Pour la composante dento-alvéolaire, les deux traitements proclinent les incisives inférieures et rétroclinent les incisives supérieures, le Forsus causant une plus forte rétroclinaison des incisives supérieures (1/-FH p = 0,007, /1-PM p = 0,10). Pour les changements angulaires des plans, le Forsus cause de manière significative une augmentation de l’inclinaison du plan occlusal (POF/FH p = 0,001). Pour le questionnaire sur l'évaluation du confort, il n'y a pas de différence entre les deux traitements en ce qui concerne la gêne face aux activités quotidiennes (p = 0,19). L'hygiène est plus facile avec les élastiques (p = 0,03). Le sommeil n’est perturbé par aucun des appareils (p =0,76). La différence entre le groupe «élastiques» et le groupe «Forsus» pour le confort en général n'est pas significative (p = 0,08). Conclusions : Le but de l’étude étant de vérifier l’efficacité des élastiques de classe II bien portés versus celle des Forsus, on peut conclure que leurs effets sont relativement similaires sur les maxillaires. Cependant, le Forsus cause de manière statistiquement significative une augmentation de l'angle du plan occlusal et une rétroclinaison plus importante des incisives supérieures.

The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

Qualidade de vida de pacientes com deformidade dentofacial

In the last decade, an increasing number of studies focusing on the impact of oral deformities on quality of life have been published. However, the evaluation of patients at different phases of the treatment has not been performed. Therefore, the purpose of this study was to determine the impact that dentofacial deformities have on patients` quality of life, as well as the influence exerted by social, economic, demographic and orthodontic factors, type and severity of malocclusion. A bicentric study - of the cross-sectional type of repeated panels - involving two cities - Natal and Rio de Janeiro - was carried out. A total of 227 patients participated in the study: 71 patients in the initial phase of the treatment (before any orthosurgical procedure), 115 patients in the pre-surgical (with braces) phase and 41 patients in the postoperative phase. The quality of life was measured using the Orthognatic Quality of Life Questionnnaire - OQLQ, translated and validated into Portuguese. The normative and aesthetic need for treatment was assessed with the Index of Orthodontic Treatment Need (IOTN) and the Dental Aesthetic Index (DAI); the social, economic and demographic factors, the type of service and malocclusion were also assessed. The data were analyzed through χ2/ Fisher`s exact test to seek the association between the nominal categorical variables in the three phases of treatment, Mann Whitney and Kruskal-Wallis test for gauging the existence of significant differences between two and three groups regarding each domain of OQLQ, respectively. For all tests, it was adopted a significance level of 5%. There was a statistically significant difference (p <0.001) in the general scores of OQLQ and in the domains of social aspects, facial aesthetics and oral function, when the "postoperative group" was compared to the "initial" and "orthodontic preparation" groups. Women, single, aged between 31 and 59 and living in Natal had the greatest impact on quality of life among patients in the "orthodontic preparation" group. Only the variable "income" (2 to 3 minimum wages), for the "initial" group, and gender (female) for the "postoperative" group, showed significant association with quality of life. The normative variable IOTN (DHC and AC) showed significant association with the OQLQ for the "initial" group, and the IOTN-AC-auto in the group of orthodontic preparation, being less important to women. We conclude that the ortho-surgical therapy has positive effects on quality of life after orthognathic surgery