The floor response spectrum (FRS) is used to evaluate the seismic demand of equipment installed in nuclear power plants. In the conventional design practice of NPP structure, the FRS is simplified using the lumped-mass stick model (LMSM), assuming the floor slab as a rigid diaphragm. In the present study, to study the variation of seismic response in a floor, the FRSs at different locations were generated by 3-D finite element model, and the response was compared to that of the rigid diaphragm model. The result showed that the FRS significantly varied due to the large opening in a floor, which was not captured by the rigid diaphragm model. Based on the result, seismic fragility analysis was performed for the anchorage of a heat exchanger, to investigate the effect of location-dependent FRS disparity on the high confidence low probability of failure (HCLPF).
Motivated by the demand of seismic protection of museum collections and development of performance-based seismic design guidelines, this paper investigates the seismic fragility of sliding artifacts based on incremental dynamic analysis and three-dimensional finite element model of the artifact-showcase-museum system considering nonlinear behavior of the structure and contact interfaces. Different intensity measures (IMs) for seismic fragility assessment of sliding artifacts are compared. The fragility curves of the sliding artifacts in both freestanding and restrained showcases placed on different floors of a four-story reinforced concrete frame structure are developed. The seismic sliding fragility of the artifacts within a real-world museum subjected to bi-directional horizontal ground motions is also assessed using the proposed IM and engineering demand parameter. Results show that the peak floor acceleration including only values initiating sliding is an efficient IM. Moreover, the sliding fragility estimate for the artifact in the restrained showcase increases as the floor level goes higher, while it may not be true in the freestanding showcase. Furthermore, the artifact is more prone to sliding failure in the restrained showcase than the freestanding showcase. In addition, the artifact has slightly worse sliding performance subjected to bi-directional motions than major-component motions.
Cho, Sung Gook;Yun, Sung Min;Kim, Dookie;Hoo, Kee Jeung
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.3
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pp.133-143
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2015
It is very important to assure the seismic performance of equipment as well as building structures in seismic design of nuclear power plant(NPP). Seismically isolated structures may be reviewed mainly on the horizontal seismic responses. Considering the equipment installed in the NPP, the vertical earthquake responses of the structure also should be reviewed. This study has investigated the vertical seismic demand of seismically isolated structure by lead rubber bearings(LRBs). For the numerical evaluation of seismic demand of the base isolated NPP, the Korean standard nuclear power plant (APR1400) is modeled as 4 different models, which are supported by LRBs to have 4 different horizontal target periods. Two real earthquake records and artificially generated input motions have been used as inputs for earthquake analyses. For the study, the vertical floor response spectra(FRS) were generated at the major points of the structure. As a results, the vertical seismic responses of horizontally isolated structure have largely increased due to flexibility of elastomeric isolator. The vertical stiffness of the bearings are more carefully considered in the seismic design of the base-isolated NPPs which have the various equipment inside.
Energy-based seismic design and evaluation methods are promising to be involved in the next generation design codes. Accordingly, determining the distribution of earthquake input energy demand among floor levels is quite imperative in order to develop an energy-based seismic design procedure. In this paper, peak floor input energy demands are achieved from relative input energy response histories of several reinforced concrete (RC) frames. A set of 22 horizontal acceleration histories selected from recorded near-fault earthquakes and scaled in time domain to be compatible with the elastic acceleration design spectra of Turkish Seismic Design Code are used in time history analyses. The distribution of the computed input energy per mass values and the arithmetic means through the height of the considered RC frames are presented as a result. It is found that spatial distribution of input energy per mass is highly affected by the number of stories. Very practical yet consistent formulation of distributing the total input energy to story levels is achieved, as a most important contribution of the study.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.36
no.3
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pp.121-128
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2020
In this paper, the ASCE 7 equivalent static approach for seismic design of non-structural elements is critically evaluated based on the measured floor acceleration data, theory of structural dynamics, and linear/nonlinear dynamic analysis of three-dimensional building models. The analysis of this study on the up-to-date database of the instrumented buildings in California clearly reveals that the measured database does not well corroborate the magnitude and the profile of the floor acceleration as proposed by ASCE 7. The basic flaws in the equivalent static approach are illustrated using elementary structural dynamics. Based on the linear and nonlinear dynamic analyses of three-dimensional case study buildings, it is shown that the magnitude and distribution of the PFA (peak floor acceleration) can significantly be affected by the supporting structural characteristics such as fundamental period, higher modes, structural nonlinearity, and torsional irregularity. In general, the equivalent static approach yields more conservative acceleration demand as building period becomes longer, and the PFA distribution in long-period buildings tend to become constant along the building height due to the higher mode effect. Structural nonlinearity was generally shown to reduce floor acceleration because of its period-lengthening effect. Torsional floor amplification as high as 250% was observed in the building model of significant torsional irregularity, indicating the need for inclusion of the torsional amplification to the equivalent static approach when building torsion is severe. All these results lead to the conclusion that, if permitted, dynamic methods which can account for supporting structural characteristics, should be preferred for rational seismic design of non-structural elements.
This study identifies efficient earthquake intensity measures (IMs) for seismic performances and fragility evaluations of the reactor containment building (RCB) in the advanced power reactor 1400 (APR1400) nuclear power plant (NPP). The computational model of RCB is constructed using the beam-truss model (BTM) for nonlinear analyses. A total of 90 ground motion records and 20 different IMs are employed for numerical analyses. A series of nonlinear time-history analyses are performed to monitor maximum floor displacements and accelerations of RCB. Then, probabilistic seismic demand models of RCB are developed for each IM. Statistical parameters including coefficient of determination (R2), dispersion (i.e. standard deviation), practicality, and proficiency are calculated to recognize strongly correlated IMs with the seismic performance of the NPP structure. The numerical results show that the optimal IMs are spectral acceleration, spectral velocity, spectral displacement at the fundamental period, acceleration spectrum intensity, effective peak acceleration, peak ground acceleration, A95, and sustained maximum acceleration. Moreover, weakly related IMs to the seismic performance of RCB are peak ground displacement, root-mean-square of displacement, specific energy density, root-mean-square of velocity, peak ground velocity, Housner intensity, velocity spectrum intensity, and sustained maximum velocity. Finally, a set of fragility curves of RCB are developed for optimal IMs.
One of the major components for performance based seismic design is accurate estimation of critical seismic demand parameters. While nonlinear seismic analysis is the most appropriate analysis method for estimation of seismic demand parameters, this method is very time consuming and complex. Single mode pushover analysis method, N2 method and multi-mode pushover analysis method, modal pushover analysis (MPA) are two nonlinear static methods that have recently been used for seismic performance evaluation of few lateral load-resisting systems. This paper further investigates the applicability of N2 and MPA methods for estimating the seismic demands of ductile unstiffened steel plate shear walls (SPSWs). Three different unstiffened SPSWs (4-, 8-, and 15-storey) designed according to capacity design approach were analysed under artificial and real ground motions for Vancouver. A comparison of seismic response quantities such as, height-wise distribution of floor displacements, storey drifts estimated using N2 and MPA methods with more accurate nonlinear seismic analysis indicates that both N2 and MPA procedures can reasonably estimates the peak top displacements for low-rise SPSW buildings. In addition, MPA procedure provides better predictions of inter-storey drifts for taller SPSW. The MPA procedure has been extended to provide better estimate of base shear of SPSW.
Open ground story (OGS) reinforced concrete (RC) buildings are vulnerable to the complete collapse or severe damages under seismic actions. This study investigates the effectiveness of four different strengthening techniques representing the local and global modifications to improve the seismic performance of a non-ductile RC OGS frame. Steel caging and concrete jacketing methods of column strengthening are considered as the local modification techniques, whereas steel bracing and RC shear wall systems are selected as the global strengthening techniques in this study. Performance-based plastic design (PBPD) approach relying on energy-balance concept has been adopted to determine the required design force demand on the strengthening elements. Nonlinear static and dynamic analyses are carried out on the numerical models of study frames to assess the effectiveness of selected strengthening techniques in improving the seismic performance of OGS frame.. Strengthening techniques based on steel braces and RC shear wall significantly reduced the peak interstory drift response of the OGS frame. However, the peak floor acceleration of these strengthened frames is amplified by more than 2.5 times as compared to that of unstrengthened frame. Steel caging technique of column strengthening resulted in a reasonable reduction in the peak interstory drift response without substantial amplification in peak floor acceleration of the OSG frame.
Traditionally, domestic steel design and construction practice has provided extra shear studs to moment frame beams even when they are designed as non-composite beams. In the 1994 Northridge earthquake, connection damage initiated from the beam bottom flange side was prevalent. The upward moving of the neutral axis due to the composite action between steel beam and floor deck was speculated to be one of the critical causes. In this study, full-scale seismic testing was conducted to investigate the side effects of the composite action in steel seismic moment frames. The specimen PN700-C, designed following the domestic connection and floor deck details, exhibited significant upward shift of the neutral axis under sagging (or positive) moment, thus producing high strain demand on the bottom flange, and showed a poor seismic performance because of brittle fracture of the beam bottom flange at 3% story drift. The specimen DB700-C, designed by using RBS connection and with the details of minimized floor composite action, exhibited superior seismic performance, without experiencing any fracture or concrete crushing, almost identical to the bare steel counterpart (specimen DB700-NC). The results of this study clearly indicate that the beams and connections in seismic steel moment frames should be constructed to minimize the composite action of a floor deck if possible.
Kanee, Ali Reza Taghavee;Kani, Iradj Mahmood Zadeh;Noorzad, Assadollah
Earthquakes and Structures
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v.5
no.1
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pp.49-65
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2013
This article presents the statistical characteristics of elastic floor acceleration spectra that represent the peak response demand of non-structural components attached to a nonlinear supporting frame. For this purpose, a set of stiff and flexible general moment resisting frames with periods of 0.3-3.6 sec. are analyzed using forty-nine near-field strong ground motion records. Peak accelerations are derived for each single degree of freedom non-structural component, supported by the above mentioned frames, through a direct-integration time-history analysis. These accelerations are obtained by Floor Acceleration Response Spectrum (FARS) method. They are statistically analyzed in the next step to achieve a better understanding of their height-wise distributions. The factors that affect FARS values are found in the relevant state of the art. Here, they are summarized to evaluate the amplification and/or reduction of FARS values especially when the supporting structures undergo inelastic behavior. The properties of FARS values are studied in three regions: long-period, fundamental-period and short-period. Maximum elastic acceleration response of non-structural component, mounted on inelastic frames, depends on the following factors: inelasticity intensity and modal periods of supporting structure; natural period, damping ratio and location of non-structural component. The FARS values, corresponded to the modal periods of supporting structure, are strongly reduced beyond elastic domain. However, they could be amplified in the transferring period domain between the mentioned modal periods. In the next step, the amplification and/or reduction of FARS values, caused by inelastic behavior of supporting structure, are calculated. A parameter called the response acceleration reduction factor ($R_{acc}$), has been previously used for far-field earthquakes. The feasibility of extending this parameter for near-field motions is focused here, suggested repeatedly in the relevant sources. The nonlinearity of supporting structure is included in ($R_{acc}$) for better estimation of maximum non-structural component absolute acceleration demand, which is ordinarily neglected in the seismic design provisions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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