Near-field earthquake records including long-period high-amplitude velocity pulses can cause large isolation system displacements leading to buckling or rupture of isolators. In such cases, providing supplemental damping in the isolation system has been proposed as a solution. However, it is known that linear viscous dampers can reduce base displacements in case of near-field earthquakes but at the potential expense of increased superstructure response in case of far-field earthquakes. But can non-linear dampers with different levels of non-linearity offer a superior seismic performance? In order to answer this question, the effectiveness of non-linear viscous dampers in reducing isolator displacements and its effects on the superstructure response are investigated. A comparison with linear viscous dampers via time history analysis is done using a base-isolated benchmark building model under historical near-field and far-field earthquake records for a wide range of different levels of non-linearity and supplemental damping. The results show that the non-linearity level and the amount of supplemental damping play important roles in reducing base displacements effectively. Although use of non-linear supplemental dampers may cause superstructure response amplification in case of far-field earthquakes, this negative effect may be avoided or even reduced by using appropriate combinations of non-linearity level and supplemental damping.
In this work we provide the theoretical formulation, discrete approximation and solution algorithm for instability problems combing geometric instability at large displacements and material instability due to softening under combined thermo-mechanical extreme loads. While the proposed approach and its implementation are sufficiently general to apply to vast majority of structural mechanics models, more detailed developments are provided for truss-bar model. Several numerical simulations are presented in order to illustrate a very satisfying performance of the proposed methodology.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1997.04a
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pp.182-190
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1997
A new method to prevent reinforced concrete columns from brittle failure. The method is called transversely reinforcing method in which only the critical regions are confined in steel tube. The steel tubes can change the failure mode of the latter columns from the shear to the flexure. The steel tubes also increase the compressive strength, shear strength and deformation capacity of the infilled concrete. The following conclusions are reached on bases of the study on the seismic performance of the high-strength RC rectangualr short columns confined in steel tube with shear span tho depth ratio of 2.0 The brittle shear failure of high-strength reinforced concrete short columns with large amount of longitudinal bars, which cannot prevented by using the maximum amount of welded hoops, can be prevented by using the steel tube which confines all the maximum amount of welded hoops, can be prevented by using the steel tube which confines all the concrete inclusive of cover concrete. High-strength RC short columns confined in rectangular steel tube provided excellent enhancement of seismic performance but, found that plastic buckling of the steel tube in the hinge regions tended to occur when the columns were subjected to large cyclic lateral displacements. In order to prevent the plastic buckling when the columns lies on large on cyclic lateral displacements, the steel ribs were used for columns. Tests have established that the columns provide excellent enhancement of seismic performance of inadequately confined columns.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.2
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pp.132-139
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1992
This paper presents geometrically nonlinear formulation of shell problems using the three-dimensional curved shell element, which includs large displacements and large rotations. Formulations of the geometrically nonlinear problems can be derived in a variety of ways, but most of them have been obtained by assuming that nodal rotations are small. Hence, the tangent stiffness matrix is derived under the assumptions that rotational increments are infinitesimal and the effect of finite rotational increments have to be considered during the equilibrium iterations. To study the large displacement and large rotation problems, the restrictions are removed and the formulations of the curved shell element including the effect of large rotational increments are developed in this paper. The displacement based finite element method using this improved formulation are applied to the analyses of the geometrically nonlinear behaviors of the single and double curved shells, which are compared with the results by others.
Sharma, Vijay;Shrimali, Mahendra K.;Bharti, Shiv D.;Datt, Tushar K.
Steel and Composite Structures
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v.36
no.4
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pp.399-415
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2020
Responses of semi-rigid frames having different degrees of semi-rigidity obtained by the nonlinear static analysis (NSA) are evaluated at specific target displacements by comparing them with those obtained by the nonlinear time-history analysis (NTHA) for scaled earthquakes. The peak ground accelerations (PGA) of the earthquakes are scaled such that the obtained peak top story displacements match with the target displacements. Three different types of earthquakes are considered, namely, far-field and near-field earthquakes with directivity and fling-step effects. In order to make the study a comprehensive one, three degrees of semi-rigidity (one fully rigid and the other two semi-rigid), and two frames having different heights are considered. An ensemble of five-time histories of ground motion is included in each type of earthquake. A large number of responses are considered in the study. They include the peak top-story displacement, maximum inter-story drift ratio, peak base shear, total number of plastic hinges, and square root of sum of the squares (SRSS) of the maximum plastic hinge rotations. Results of the study indicate that the nonlinear static analysis provides a fairly good estimate of the peak values of top-story displacements, inter-story drift ratio (for shorter frame), peak base shear and number of plastic hinges; however, the SRSS of maximum plastic hinge rotations in semi-rigid frames are considerably more in the nonlinear static analysis as compared to the nonlinear time history analysis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.12
no.3
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pp.440-449
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1988
Small vibration displacements may be measured by optical interferometers, based on the Michelson method. The standard Michelson interferometer works well when the mirror displacements are relatively large compared to the optical wavelength. But it does not work for displacements less than approximately a quater of optical wavelength. Several multiple reflection laser interferometers, simply modified standard Michelson interferometer, have been developed to decrease the minimum detectable limits. Among these a relatively simple and easy multiple reflection system is used to measure the small vibration displacements. This multiple reflection system is constructed with a right angle prism and a convex lens. Therefore this system makes it possible to measure a vibration displacement of the small area on the vibrating structure. The fringe interpolation method and curve fitting method are used to determine accurately the small vibration displacements from the measured interference fringe patterns. Also computer simulation technique is used to check the accuracies of these method. According to the results of the computer simulation technique, the curve fitting method is more accurate than the fringe interpolation method. The optically measured results are in good agreement with those of the standard accelerometer with high accuracy and it is possible to measure the peak vibration displacement as small as 9.01nm using multiple reflection system and curve fitting method.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.4
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pp.227-233
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1992
To study the large displacement and large rotation problems, geometrically nonlinear formulation of eccentric degenerated beam element has been developed, where the restrictions of infinitesimal rotation increments are removed and the incremental equations are derived using the Taylor series expansion of the displacement function at time t+dt. The geometrically nonlinear analyses are carried out for the cases of cantilever, square frame, shallow arch and 45-degree bend beam and all of them are compared with each of the other results published. The element developed in the present research can be efficiently utilized for analysis of the nonlinear behaviours of structures when displacements and rotations are large.
Hybrid simulation (HS) is a versatile tool for structural performance evaluation under dynamic loads. Although real structural responses are often multiple-directional owing to an eccentric mass/stiffness of the structure and/or excitations not along structural major axes, few HS in this field takes into account structural responses in multiple directions. Multi-directional loading is more challenging than uni-directional loading as there is a nonlinear transformation between actuator and specimen coordinate systems, increasing the difficulty of suppressing loading error. Moreover, redundant actuators may exist in multi-directional hybrid simulations of large-scale structures, which requires the loading strategy to contain ineffective loading of multiple actuators. To address these issues, lately a new strategy was conceived for accurate reproduction of desired displacements in bi-directional hybrid simulations (BHS), which is characterized in two features, i.e., iterative displacement command updating based on the Jacobian matrix considering nonlinear geometric relationships, and force-based control for compensating ineffective forces of redundant actuators. This paper performs performance validation and application of this new mixed loading strategy. In particular, virtual BHS considering linear and nonlinear specimen models, and the diversity of actuator properties were carried out. A validation test was implemented with a steel frame specimen. A real application of this strategy to BHS on a full-scale 2-story frame specimen was performed. Studies showed that this strategy exhibited excellent tracking performance for the measured displacements of the control point and remarkable compensation for ineffective forces of the redundant actuator. This strategy was demonstrated to be capable of accurately and effectively reproducing the desired displacements in large-scale BHS.
Di Egidio, Angelo;Pagliaro, Stefano;Fabrizio, Cristiano;de Leo, Andrea M.
Coupled systems mechanics
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v.8
no.4
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pp.351-375
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2019
The present work investigates the use of a rigid rocking block as a tool to reduce vibrations in a frame structure. The study is based on a simplified model composed by a 2-DOF linear system, meant to represent a general M-DOF frame structure, coupled with a rocking rigid block through a linear visco-elastic device, which connects only the lower part of the 2-DOF system. The possibility to restrain the block directly to the ground, by means of a second visco-elastic device, is investigated as well. The dynamic response of the model under an harmonic base excitation is then analysed in order to evaluate the effectiveness of the coupling in reducing the displacements and the drift of the 2-DOF system. The nonlinear equations of motion of the coupled assemblage 2-DOF-block are obtained by a Lagrangian approach and then numerically integrated considering some reference mechanical and geometrical quantities as variable parameters. It follows an extensive parametric analysis, whose results are summarized through behaviour maps, which portray the ratio between the maximum displacements and drifts of the system, with and without the coupling with the rigid block, for several combinations of system's parameters. When the ratio of the displacements is less than unity, the coupling is considered effective. Results show that the presence of the rocking rigid block improves the dynamics of the system in large ranges of the characterizing parameters.
Eliasi, Hussein;Yazdani, Hessam;Khatibinia, Mohsen;Mahmoudi, Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.5
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pp.633-645
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2022
The active tuned mass damper (ATMD) is an efficient and reliable structural control system for mitigating the dynamic response of structures. The inertial force that an ATMD exerts on a structure to attenuate its otherwise large kinetic energy and undesirable vibrations and displacements is proportional to its excursion. Achieving a balance between the inertial force and excursion requires a control law or feedback mechanism. This study presents a technique for the optimum design of a sliding mode controller (SMC) as the control law for ATMD-equipped structures subjected to earthquakes. The technique includes optimizing an SMC under an artificial earthquake followed by testing its performance under real earthquakes. The SMC of a real 11-story shear building is optimized to demonstrate the technique, and its performance in mitigating the displacements of the building under benchmark near- and far-fault earthquakes is compared against that of a few other techniques (proportional-integral-derivative [PID], linear-quadratic regulator [LQR], and fuzzy logic control [FLC]). Results indicate that the optimum SMC outperforms PID and LQR and exhibits performance comparable to that of FLC in reducing displacements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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