京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19299号 / 工博第4096号 / 新制||工||1631(附属図書館) / 32301 / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)教授 中島 正愛, 教授 川瀬 博, 教授 竹脇 出 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20697号 / 工博第4394号 / 新制||工||1683(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)教授 池田 芳樹, 教授 西山 峰広, 准教授 聲高 裕治 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Shear deformations are, generally, not considered in structural analysis of beams and frames. But shear deformations in members with low clear span-to-member depth ratio will be higher than normally expected, thus adversely affecting the stiffness of these members. Inclusion of shear deformation in analysis requires the values of shear modulus (modulus of rigidity, G) and the shear area of the member. The shear area of the member is a cross-sectional property and is defined as the area of the section which is effective in resisting shear deformation. This value is always less than the gross area of the section and is also referred to as the form factor. The form factor is the ratio of the gross area of the section to its shear area. There are a number of expressions available in the literature for the form factors of rectangular and wide flange sections. However, preliminary analysis revealed a high variation in the values given by them. The variation was attributed to the different assumptions made, regarding the stress distribution and section behavior. This necessitated the use of three-dimensional finite element analysis of rectangular and wide flange sections to resolve the issue. The purpose of finite element analysis was to determine which, if any, of the expressions in the literature provided correct answers. A new method of finite element analysis based on the principle of virtual work is used for analyzing rectangular and wide flange sections. The validity of the new method was established by analyzing rectangular sections for which closed form solutions for form factor were available. The form factors of various wide flange sections in the AISC database were calculated from finite element analysis and an empirical relationship was formulated for easy calculation of the form factor. It was also found that an empirical formula provided good results for form factors of wide flange sections. Beam-column joint sub-assemblies were modeled and analyzed to understand the contribution of various components to the total drift. This was not very successful since the values obtained from the finite element analysis did not match the values calculated using virtual work. This discrepancy points to inaccuracies in modeling and, possibly, analysis of beam-column joints. This issue needs to be resolved before proceeding further with the analysis. / Master of Science

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Täglich treffen Menschen zahlreiche Entscheidungen. Häufig stellt sich dabei die Frage, ob man einer direkt verfügbaren Versuchung nachgibt oder versucht, ein in der Zukunft liegendes Ziel zu erreichen. Impulsivität und Selbstkontrolle können dabei als konfligierende Persönlichkeitseigenschaften im Entscheidungsprozess gesehen werden. In der Entscheidungsforschung wird postuliert, dass zwei getrennte Systeme existieren, die bei jeder Wahl berücksichtigt werden: ein eher impulsives und ein reflektives System. Je nach Stärke der Anteile der beiden Systeme werde eine Entscheidung getroffen. Neben behavioralen Theorien haben die Befunde der kognitiven Neurowissenschaften dazu beigetragen, den beschriebenen Systemen relevante Hirnregionen zuzuschreiben: limbische Regionen, vor allem das ventrale Striatum, werden dabei vor allem mit dem impulsiven System in Verbindung gebracht, während kortikale Strukturen, im Besonderen dorsolateraler präfrontaler (DLPFC) und anteriorer cingulärer Kortex (ACC), mit Selbstkontrolle assoziiert werden. Das Belohnungssystem ist eng mit dopaminergen Signalübertragungswegen verbunden, die unter anderem durch Gene für Dopamin- Rezeptor, -Transporter und -Abbau beeinflusst werden. Studien zur Erforschung der behavioralen Grundlagen und neuronalen Zusammenhänge menschlicher Entscheidungen haben bislang vor allem Forced-Choice-Paradigmen verwendet, bei denen sich die Probanden zwischen einer sofort verfügbaren, kleineren Belohnung und einer späteren, größeren Belohnung entscheiden müssen. Bei dieser Operationalisierung erfolgt bei jeder Entscheidung eine eindeutige Zuordnung zum impulsiven oder selbstkontrollierten System, alltägliche Entscheidungen hingegen sind meist deutlich weniger eindeutig und transparent. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein fMRT-Paradigma entwickelt, das menschliche Entscheidungen abbildet, ohne auf diese dichotome Einteilung zurückzugreifen. So sollten mithilfe des Versuchsresistenz-Paradigmas (VR-Paradigma) sowohl Belohnungsareale aktiviert, als auch schwierige Entscheidungen abgebildet werden. Dabei wurden den Probanden in neun Blöcken jeweils zwanzig kleine Geldbeträge (zwischen einem und 99 Cent) angeboten, von denen pro Block nur fünf gutgeschrieben werden konnten. Es wurden zwei aufeinander aufbauende Studien an unterschiedlichen Stichproben durchgeführt: Im Rahmen der ersten Studie wurden 53 männliche Studenten untersucht. Neben dem VR-Paradigma wurden psychologische Fragebögen erhoben, bei 30 Probanden erfolgte außerdem eine genetische Analyse hinsichtlich dreier Dopamin-assoziierter Polymorphismen (COMT Val158Met, DAT1 und DRD2/ANKK1 Taq 1A). In einer zweiten Studie wurden die Daten 16 männlicher alkoholabhängiger Patienten sieben bis 14 Tage nach Beginn eines Entzugs und 16 männlicher Kontrollprobanden analysiert. Diese wurden ebenfalls dem VR-Paradigma unterzogen und begleitend mithilfe psychologischer Fragebögen untersucht. Bei der Auswertung wurden die Entscheidungen im Sinne eines 2x2-Designs nach Antwort (Ja oder Nein) und Höhe (Hoch (≥ individuellem Median der gutgeschriebenen Beträge) oder Niedrig (< individuellem Median) eingeteilt. Dabei sollten Belohnungsreaktionen vor allem bei höheren Beträgen auftreten, während schwierige Entscheidungen und Versuchungsresistenz über die Ablehnung hoher Beträge und die Annahme niedriger Beträge abgebildet werden. Die Auswertung der ersten Studie erbrachte einen signifikanten Unterschied der Reaktionszeiten im VR-Paradigma bezogen auf die Höhe der angebotenen Beträge und die Interaktion von Antwort und Höhe, wobei die Ablehnung eines hohen Betrags die längsten Reaktionszeiten hervorrief. Bei hohen im Vergleich zu niedrigen Beträgen konnten Aktivierungen im bilateralen ventralen Striatum, rechten DLPFC, ACC, in der bilateralen Insula und im inferioren parietalen Lobus (IPL) nachgewiesen werden. Bei der Ausübung von Versuchungsresistenz (Interaktion der Haupteffekte) wurde dagegen der linke DLPFC aktiviert. Im Rahmen einer Konnektivitätsanalyse (psychophysiologische Interaktionen) konnte eine Korrelation der Aktivierung des linken DLPFC mit dem ventralen Striatum nur bei hohen abgelehnten Beträgen, nicht aber bei niedrigen zurückgewiesenen Beträgen gefunden werden. Bezüglich der Verbindung zwischen neuronaler Aktivierung und Persönlichkeit konnten Zusammenhänge der Belohnungsreaktion mit hohen Werten auf Impulsivitätsskalen und für Risikoverhalten sowie niedrigen Werten für Selbstkontrolle nachgewiesen werden. Für die Aktivierung in Kontrollarealen bei Versuchungsresistenz konnte ein entgegengesetzter Effekt beobachtet werden. Die Auswertung der genetischen Daten ergab eine signifikante stärkere Aktivierung des ventralen Striatums bei 10R- Homozygoten. Bei 10R-Homozygoten liegt eine erhöhte Zahl von Dopamin-Transportern an der Synapse vor, was am ehesten zu einer verringerten Verfügbarkeit von Dopamin im synaptischen Spalt führt. Die Auswertung von Studie 2 erbrachte signifikante Unterschiede der Reaktionszeiten nur bezüglich der Höhe der angebotenen Belohnung, die Gruppenzugehörigkeit (Patient- Kontrolle) und die Interaktion der Haupteffekte hatten keinen Einfluss. Die Patienten behielten signifikant häufiger eine Kaufoption bis zum Ende eines Blocks übrig. Bei der neuronalen Aktivierung konnte eine stärkere Aktivierung des linken DLPFC und linken IPL bei Patienten nachgewiesen werden. Außerdem fanden sich signifikant höhere Werte auf impulsivitätsassoziierten Persönlichkeitsskalen für Patienten im Vergleich zu Kontrollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten mit dem neu entwickelten VR-Paradigma neuronale Aktivierungen in Belohnungs- (v.a. ventrales Striatum) und Kontrollarealen (v.a. linker DLPFC und ACC) nachgewiesen werden. Außerdem scheint eine Konnektivität zwischen DLPFC und ventralem Striatum abhängig von der Notwendigkeit zur Ausübung kognitiver Kontrolle zu bestehen. Das Ausmaß neuronaler Aktivierung war mit Persönlichkeitsmaßen von Impulsivität und Selbstkontrolle korreliert, hier haben also interindividuelle Unterschiede in neuronaler Aktivierung Auswirkungen auf die Persönlichkeit. Der gefundene Einfluss des DAT1-Gens steht im Gegensatz zu bisherigen Befunden, dies kann mit der unterschiedlichen Operationalisierung zusammenhängen. Unterschiede zwischen alkoholabhängigen Patienten und Kontrollen hinsichtlich einer stärkeren Aktivierung in Kontrollarealen bei Patienten lassen vermuten, dass Patienten einen höheren kognitiven Aufwand zur Kontrollausübung aufwenden müssen. Mithilfe des neuartigen Versuchungsresistenz-fMRT-Paradigmas zur Versuchungsresistenz werden bekannte Hirnregionen im Entscheidungsprozess angesprochen und es bietet darüber hinaus neue Einblicke in Interaktionseffekte. Weiterführende Studien können über eine Anwendung des Paradigmas an einer größeren klinischen Stichprobe in Verbindung mit genetischer Analytik neue Einblicke in Suchtmechanismen und deren Aufrechterhaltung ermöglichen.

Master of Science / Department of Architectural Engineering and Construction Science / Sutton F. Stephens / The hazards of seismic activity on building structures require that engineers continually look for new and better methods of resisting seismic forces. Buckling restrained braced frames (BRBF) are a relatively new lateral force resisting system developed to resist highly unpredictable seismic forces in a very predictable way. Generally, structures with a more ductile lateral force resisting system perform better in resisting high seismic forces than systems with more rigid, brittle elements. The BRBF is a more ductile frame choice than special concentrically braced frames (SCBF). The ductility is gained through brace yielding in both compression and tension. The balanced hysteretic curve this produces provides consistent brace behavior under extreme seismic loads. However regular use of the BRB is largely limited to Japan where the brace type was first designed. The wide acceptance of buckling restrained braced frames requires the system to become easily designable, perform predictably, and common to engineers. This report explains the design process to help increase knowledge of the design and background. This report also details a comparison of a BRBF to a SCBF to give familiarity and promote confidence in the system. The design process of the BRBF is described in detail with design calculations of an example frame. The design process is from the AISC Seismic Provisions with the seismic loads calculated according to ASCE 7 equivalent lateral force procedure. The final members sizes of the BRBF and SCBF are compared based on forces and members selected. The results of the parametric study are discussed in detail.

The Central and Eastern United States (CEUS) is a region that is characterized by low frequency-high consequence seismic events such as the New Madrid sequence of 18111812. The infrequent nature of earthquakes in the region has led to a perception that the seismic risk in the area is low, and the current building stock reflects this perception. The majority of steel-framed buildings in the CEUS were designed without regard to seismic loads. Such frames possess limited seismic resistance, and may pose an unacceptable risk if a large earthquake were to occur in the region. A key ingredient of building performance and seismic risk assessment is the fragility, a term that describes the probability of failure to meet a performance objective as a function of demand on the system. The effects of uncertainties on building seismic performance can be displayed by a seismic fragility relationship. This fragility can be used in a conditional scenario-based seismic risk assessment or can be integrated with seismic hazard to obtain an estimate of annual or lifetime risk. The seismic fragility analyses in this study focus on steel frames that are typical of building construction in regions of infrequent seismicity; such frames have received little attention to date in building seismic risk assessment. Current steel building stock in Shelby Co., TN has been represented by five code-compliant model frames with different lateral force-resisting systems, i.e., braced-frames, partially-restrained moment frames and a rigid moment frame. The performance of model frames under certain hazard levels was assessed using fragility curves. Different rehabilitation methods were discussed and applied. Results indicate that PR frames behave better than expected and rehabilitated frames perform quite well even under severe earthquakes.

Maximum interstory drift and the distribution of this drift along the height of the structure are the main causes of structural and nonstructural damage in frame type buildings subjected to earthquake ground motions. Estimation of maximum interstory drift ratio is a good measure of the local response of buildings. Recent earthquakes have revealed the susceptibility of the existing building stock to near-fault ground motions characterized by a large, long-duration velocity pulse. In order to find rational solutions for the destructive effects of near fault ground motions, it is necessary to determine drift demands of buildings. Practical, applicable and accurate methods that define the system behavior by means of some key parameters are needed to assess the building performances quickly instead of detailed modeling and calculations. In this study, simple equations are proposed in order for the determination of the elastic interstory drift demand produced by near fault ground motions on regular and irregular steel frame structures. The proposed equations enable the prediction of maximum elastic ground story drift ratio of shear frames and the maximum elastic ground story drift ratio and maximum elastic interstory drift ratio of steel moment resisting frames. In addition, the effects of beam to column stiffness ratio, soft story factor, stiffness distribution coefficient, beam-to-column capacity ratio, seismic force reduction factor, ratio of pulse period to fundamental period, regular story height and number of stories on elastic and inelastic interstory drift demands are investigated in detail. An equation for the ratio of maximum inelastic interstory drift ratio to maximum elastic interstory drift ratio developed for a representative case is also presented.

Prior experimental research clearly reveals that the performance of reinforced concrete frame structures under earthquake loading is closely related to the behavior of beam-to-column connection regions. In order for a reinforced concrete building to have an adequate response under high lateral deformations, beam-to-column connections should be able to preserve their integrity. However, even today beam-to-column connections are assumed to be rigid or elastic, leading to an incorrect estimation of the structural response under earthquake loading. One of the basic reasons for the assumption of rigid joints is the lack of analytical models that adequately represent the seismic behavior of the connection region. In this thesis, an analytical model that realistically represents the beam-to-column connection response is developed, in the light of prior experimental data. The experimental subassemblies used in the generation of the analytical model are later modeled in OpenSees environment in order to verify the accuracy of the model. Throughout the research, utmost attention is paid for the model to be simple enough to be used practically and also to cover a wide range of beam to column connection properties.