This paper presents a case study with a multi-degree-of-freedom (MDOF) system where the Floor Response Spectra (FRS) have been derived from a large ensemble of ground motion accelerograms. The FRS are evaluated by the frequency response function which is calculated numerically. The advantage of this scheme over a repetitive time-history analysis of the entire structure for each accelerogram of the set has been highlighted. The present procedure permits generation of FRS with a specified probability of exceedence.
A harmonic type differential quadrature approach for nonlinear dynamic analysis of multi-degree-of-freedom systems has been developed. A series of numerical examples is conducted to assess the performance of the HDQ method in linear and nonlinear dynamic analysis problems. Results are compared with the existing solutions available from other analytical and numerical methods. In all cases, the results obtained are quite accurate.
This paper summarizes results of a comprehensive analytical study aimed at evaluating the influence of strong ground motion duration on residual displacement demands of single-degree-of-freedom (SDOF) and multi-degree-of-freedom (MDOF) systems. For that purpose, two sets of 20 earthquake ground motions representative of short-duration and long-duration records were considered in this investigation. While the influence of strong ground motion duration was evaluated through constant-strength residual displacement ratios, $C_r$, computed from the nonlinear response of elastoplastic SDOF systems, its effect on the amplitude and height-wise distribution of residual drift demands in MDOF systems was studied from the response of three one-bay two-dimensional generic frame models. In this investigation, an inelastic ground motion intensity measure was employed to scale each record, which allowed reducing the record-to-record variability in the estimation of residual drift demands. From the results obtained in this study, it was found that long strong-motion duration records might trigger larger median $C_r$ ratios for SDOF systems having short-to-medium period of vibration than short strong-motion duration records. However, taking into account the large record-to-record variability of $C_r$, it was found that strong motion duration might not be statistically significant for most of the combinations of period of vibration and levels of lateral strength considered in this study. In addition, strong motion duration does not have a significant influence on the amplitude of peak residual drift demands in MDOF systems, but records having long strong-motion duration tend to increase residual drift demands in the upper stories of long-period generic frames.
Bojorquez, Eden;Bojorquez, Juan;Ruiz, Sonia E.;Reyes-Salazar, Alfredo;Velazquez-Dimas, Juan
Structural Engineering and Mechanics
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v.46
no.6
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pp.755-773
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2013
One of the main requirements of the seismic design codes must be its easy application by structural engineers. The use of practically-applicable models or simplified models as single-degree-of-freedom (SDOF) systems is a good alternative to achieve this condition. In this study, deterministic and probabilistic response transformation factors are obtained to evaluate the response in terms of maximum ductility and maximum interstory drifts of multi-degree-of-freedom (MDOF) systems based on the response of equivalent SDOF systems. For this aim, five steel frames designed with the Mexican City Building Code (MCBC) as well as their corresponding equivalent SDOF systems (which represent the characteristics of the frames) are analyzed. Both structural systems are subjected to ground motions records. For the MDOF and the simplified systems, incremental dynamic analyses IDAs are developed in first place, then, structural demand hazard curves are obtained. The ratio between the IDAs curves corresponding to the MDOF systems and the curves corresponding to the simplified models are used to obtain deterministic response transformation factors. On the other hand, demand hazard curves are used to calculate probabilistic response transformation factors. It was found that both approaches give place to similar results.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2006.03a
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pp.519-526
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2006
This paper compares the seismic response control performance of linear and non-linear models fer tuned liquid damper (TLD). The existing linear and nonlinear TLD models were used for the numerical analysis of single degree of freedom (SDOF) and multi degree of freedom (MDOF) systems with TLD. The nonlinear model considers the variation of the frequency and damping of the TLD with varying excitation amplitude while the linear one has the invariant parameters. Numerical analysis results from SDOF systems indicate that the nonlinear model shows about 5% better control performance than linear one when the mass ratio is 2% and the optimal parameters for reducing peak responses are dependent on the characteristics of the excitation earthquake loads.
Over the past few decades, seismic retrofitting of structural systems has been significantly improved by the adoption of various methods such as FRP composite wraps, base isolation systems, and passive/active damper control systems. In parallel with this trend, probabilistic risk assessment (PRA) for structural and nonstructural components has become necessary for risk mitigation and the achievement of reliable designs in performance-based earthquake engineering. The primary objective of the present study was to evaluate the effect on piping fragility at T-joints due to seismic retrofitting of structural systems with passive energy-dissipation devices (i.e., linear viscous dampers). Three mid-rise building types were considered: without any seismic retrofitting; with distributed damper systems; with optimal placement of dampers. The results showed that the probability of piping system failure was considerably reduced in a Multi Degree of Freedom (MDOF) building retrofitted with optimal passive damper systems at lower floor levels. This effect of damper systems on piping fragility became insignificant as the floor level increased.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.27
no.6
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pp.846-855
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2021
Eco-friendly and renewable energy sources are actively being researched in recent times, and of shore wind power generation requires advanced design technologies in terms of increasing the capacities of wind turbines and enlarging wind turbine installation vessels (WTIVs). The WTIV ensures that the hull is situated at a height that is not affected by waves. The most important part of the WTIV is the leg structure, which must respond dynamically according to the wave, current, and wind loads. In particular, the wave load is composed of irregular waves, and it is important to know the exact dynamic response. The dynamic response analysis uses a single degree of freedom (SDOF) method, which is a simplified approach, but it is limited owing to the consideration of random waves. Therefore, in industrial practice, the time-domain analysis of random waves is based on the multi degree of freedom (MDOF) method. Although the MDOF method provides high-precision results, its data convergence is sensitive and difficult to apply owing to design complexity. Therefore, a dynamic amplification factor (DAF) estimation formula is developed in this study to express the dynamic response characteristics of random waves through time-domain analysis based on different variables. It is confirmed that the calculation time can be shortened and accuracy enhanced compared to existing MDOF methods. The developed formula will be used in the initial design of WTIVs and similar structures.
Kim, Dong Kwan;Kim, Ho Soo;Min, Ji Hee;Park, Jin Young
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.28
no.4
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pp.165-170
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2024
This study investigated the impact of soil-structure interaction on multi-degree-of-freedom structures using the shallow-foundation Winkler model, known as the BNWF model. The model's period was determined through eigenvalue analysis and compared to results obtained from FEMA's formula. Results indicated that considering the soil, the structure's period increased by up to 8.7% compared to the fixed-base model, aligning with FEMA's calculations. Furthermore, with adequate ground acceleration, roof displacement increased by 3.4% to 3.8%, while base shear decreased by 4% to 10%. However, roof displacement and base shear increased in some earthquake scenarios due to spectral shape effects in regions with extended structural periods. Foundation damping effects, determined through the foundation's moment-rotation history, grew with higher ground acceleration. This suggests that accounting for period elongation and foundation damping can enhance the seismic design of multi-degree-of-freedom structures.
The application of critical excitation method with displacement-based objective function for multi degree of freedom (MDOF) systems is investigated. To this end, a new critical excitation method is developed to find the critical input motion of a MDOF system as a synthetic accelerogram. The upper bound of earthquake input energy per unit mass is considered as a new constraint for the problem, and its advantages are discussed. Considering this constraint, the critical excitation method is then used to generate synthetic accelerograms for MDOF models corresponding to three shear buildings of 10, 16, and 22 stories. In order to demonstrate the reliability of generated accelerograms to estimate dynamic response of the structures, three target ground motions with considerable level of energy contents are selected to represent "real critical excitation" of each model, and the method is used to re-generate these ground motions. Afterwards, linear dynamic analyses are conducted using these accelerograms along with the generated critical excitations, to investigate the key parameters of response including maximum displacement, maximum interstory drift, and maximum absolute acceleration of stories. The results show that the generated critical excitations can make an acceptable estimate of the structural behavior compared to the target ground motions. Therefore, the method can be reliably implemented to generate critical excitation of the structure when real one is not available.
This paper presents a novel structural damage detection method with a new damage index based on the statistical moments of dynamic responses of a structure under a random excitation. After a brief introduction to statistical moment theory, the principle of the new method is put forward in terms of a single-degree-of-freedom (SDOF) system. The sensitivity of statistical moment to structural damage is discussed for various types of structural responses and different orders of statistical moment. The formulae for statistical moment-based damage detection are derived. The effect of measurement noise on damage detection is ascertained. The new damage index and the proposed statistical moment-based damage detection method are then extended to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems with resort to the leastsquares method. As numerical studies, the proposed method is applied to both single and multi-story shear buildings. Numerical results show that the fourth-order statistical moment of story drifts is a more sensitive indicator to structural stiffness reduction than the natural frequencies, the second order moment of story drift, and the fourth-order moments of velocity and acceleration responses of the shear building. The fourth-order statistical moment of story drifts can be used to accurately identify both location and severity of structural stiffness reduction of the shear building. Furthermore, a significant advantage of the proposed damage detection method lies in that it is insensitive to measurement noise.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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