In practical engineering, the friction damper is a widely used energy dissipation device because of its large deformation capacity, stable energy dissipation capability, and cost effectiveness. While based on conventional friction dampers, the double-sliding friction damper (DSFD) being proposed is different in that it features two sliding friction forces, i.e., small and large sliding friction forces, rather than a single-sliding friction force of ordinary friction dampers. The DSFD starts to deform when the force sustained exceeds the small-sliding friction force, and stops deforming when the deformation reaches a certain value. If the force sustained exceeds the large sliding friction force, it continues to deform. Such a double-sliding behavior is expected to endow structures equipped with the DSFD better performance in both small and large earthquakes. The configuration and working mechanism of the DSFD is described and analyzed. Quasi-static loading tests and finite element analyses were conducted to investigate its hysteretic behavior. Finally, time history analysis of the single-degree-of-freedom (SDOF) and multi-degree-of-freedom (MDOF) systems were performed to investigate the seismic performance of DSFD-equipped structures. For the purpose of comparison, tests on systems equipped with conventional friction dampers were also performed. The proposed DSFD can be realized perfectly, and the DSFD-equipped structures provide better performances than those equipped with conventional friction dampers in terms of interstory drift and floor acceleration. In particular, for the MDOF system, the DSFD helps the structural system to have a uniform distributed interstory drift.
In this study, a new recentering friction device (RFD) to retrofit steel moment frame structures is introduced. The device provides both self-centering and energy dissipation capabilities for the retrofitted structure. A hybrid performance-based seismic design procedure considering multiple limit states is proposed for designing the device and the retrofitted structure. The design of the RFD is achieved by modifying the conventional performance-based seismic design (PBSD) procedure using computational intelligence techniques, namely, genetic algorithm (GA) and artificial neural network (ANN). Numerous nonlinear time-history response analyses (NLTHAs) are conducted on multi-degree of freedom (MDOF) and single-degree of freedom (SDOF) systems to train and validate the ANN to achieve high prediction accuracy. The proposed procedure and the new RFD are assessed using 2D and 3D models globally and locally. Globally, the effectiveness of the proposed device is assessed by conducting NLTHAs to check the maximum inter-story drift ratio (MIDR). Seismic fragilities of the retrofitted models are investigated by constructing fragility curves of the models for different limit states. After that, seismic life cycle cost (LCC) is estimated for the models with and without the retrofit. Locally, the stress concentration at the contact point of the RFD and the existing steel frame is checked being within acceptable limits using finite element modeling (FEM). The RFD showed its effectiveness in minimizing MIDR and eliminating residual drift for low to mid-rise steel frames models tested. GA and ANN proved to be crucial integrated parts in the modified PBSD to achieve the required seismic performance at different limit states with reasonable computational cost. ANN showed a very high prediction accuracy for transformation between MDOF and SDOF systems. Also, the proposed retrofit showed its efficiency in enhancing the seismic fragility and reducing the LCC significantly compared to the un-retrofitted models.
Vertical earthquake ground motion may magnify vertical dynamic responses of structures, and thus cause serious damage to bridges. As main support structures, piers and bearings play an important role in vertical seismic response analysis of girder bridges. In this study, the pier and bearing are simplified as a vertical series spring system without mass. Then, based on the assumption of small displacement, the equation of motion governing the simply-supported straight girder bridge under vertical ground motion is established including effects of vertical deformation of support structures. Considering boundary conditions, the differential quadrature method (DQM) is applied to discretize the above equation of motion into a MDOF (multi-degree-of-freedom) system. Then seismic responses of this MDOF system are calculated by a step-by-step integration method. Effects of support structures on vertical dynamic responses of girder bridges are studied under different vertical strong earthquake motions. Results indicate that support structures may remarkably increase or decrease vertical seismic responses of girder bridges. So it is of great importance to consider effects of support structures in structural seismic design of girder bridges in near-fault region. Finally, optimization of support structures to resist vertical strong earthquake motions is discussed.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.13
no.1
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pp.69-77
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2013
This study is the research appling the representative Displacement-Based Design which is the basic concept of Direct Displacement Based Design proposed by Chopra and Goel to original Reinforced Concrete moment frame and determining the thickness of retrofit Steel Jacket about the Maximum design ground acceleration, and developing the more improved Algorithm as well as program by the Retrofit Design method and Nonlinear analysis by the Performance design method before and after reinforcement appling the determined retrofit thickness. It also shows the result of the seismic performance improvement which is the ratio of seismic performance appreciation result yield displacement 19%, yield strength ratio 24%, displace ductility ratio the maximum 27% comparing Multi degree of freedom, column member of Reinforced Concrete with the performance improvement column member considering the thickness of the determined Steel Jacket. The developed Algorithm and program are easy to apply seismic design and application to the original Reinforced Concrete building, at the same time, it applicate to display well the design result of Target displacement performance level about nonlinear behavior.
It is a recent trend for advanced ships and submarines to incorporate composite structures with viscoelastically damping material. Much research has been done on curve-fitting techniquesto identify vibration characteristic parameters such as natural frequencies, modal damping ratios, and mode shapes of the composite structure. In this study, an advanced technique for accurately determining vibration characteristic of a circular cylindrical shell-attached viscoelastically damping material is used, based on a multi-degree of freedom (MDOF) curve-fitting method. First, an initial value is obtained by using a linear least square method. Next, using the initial value, the exact modal parameters of the composite circular cylindrical shell are obtained by using a nonlinear least square method. Results show computation time is greatly decreased and accurate results are obtained by the MDOF curve-fitting method.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.3A
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pp.473-484
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2006
The capacity spectrum method (CSM) can be used to simply estimate the maximum displacement response of the nonlinear structures. To evaluate seismic performance of multi-span bridges using the CSM, the representative response for structural system should be derived from the multi-degree-of-freedom (MDOF) responses by using the equivalent single-degree-of-freedom (ESDOF) method. The ESDOF method is used to calculate the capacity curve of the structural system from the pushover curves of all piers or structural members estimated by the pushover analysis. In order to evaluate an accuracy of ESDOF methods used in the CSM, the maximum displacements estimated by the CSM incorporating the several ESDOF methods are compared to those by the inelastic time-history analysis for several artificial earthquakes corresponding to the design spectrum.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.4
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pp.457-462
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2011
In this study, a simplified design procedure for friction dampers of a multi-story structure in order to reduce seismic response is proposed. To get insight for control effect of the structure with friction dampers is difficult, because of a nonlinear characteristic by a friction damper. Since a control force of a friction damper is influenced by coupling velocity between floors, adjoining modes are coupled. Thus structural response are derived by assuming steady-state response in resonance. As it is impossible that an exact solution is obtained for seismic load, first, a closed form solution can be achieved under harmonic vibration. Second, to convert a three-story building into a single-degree-of-freedom(SDOF) structure, modal analysis is performed. Third, an equivalent damping ratio is derived with utilizing closed form solution. And response reducing factor is proposed by it. Finally, friction force of a damper is designed for using response reducing factor, and then designed dampers are verified for seven seismic data. The nonlinear analysis results confirm the validity of the proposed procedure.
Baigoly, Morteza;Shargh, Farzan H.;Rofooei, Fayaz R.
Earthquakes and Structures
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v.19
no.4
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pp.243-259
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2020
This study aims to optimize, design, and predict the MTMDs performance in SDOF systems using spectral analysis, and then apply their results to MDOF structures. Given the importance of spectral analysis in the design of new engineering structures, achieving a method for designing TMDs based on this theory can be of great importance for structural designers. In this study, several convenient combinations of MTMDs in an SDOF system are first considered to minimize the maximum displacement. For calculating the frequency ratios of dampers, an innovative technique is adopted in which the values of different modal responses obtained from the spectral analysis are approached together. This procedure is done using a harmony search (HS) algorithm. Also, using the random vibration theory, the damping ratio of the dampers is obtained. Then, an equation is presented for predicting the performance of MTMDs. For evaluating this equation, three structures with different stories are designed. Some of the presented combinations of dampers are added to them. The time history analyses are employed to analyze the structures under 30 different accelerograms. The findings indicated that the proposed equation could efficiently predict the performance of the MTMDs. Furthermore, four different patterns of damper distribution along the height of the structures are defined. The effect of them on the maximum deformation of the structures in time history analyses is discussed, and an equation is presented to estimate this effect. The results indicated that the average and maximum error percentages of the proposed equations are about three and seven percent, respectively, compared to the time history analyses results, which are negligible values.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.39-48
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2011
In this present study, a response modification factor for a lightweight steel panel-modular system which is not clarified in a current building code was proposed. As a component of the response modification factor, an over-strength factor and a ductility factor were drawn from the nonlinear static analysis curves of the systems modeled on the basis of the performance tests. The final response modification factor was then computed by modifying the previous response modification factor with a MDOF (Multi-Degree-Of-Freedom) base shear modification factor considering the MDOF dynamic behaviors. As a result of computation for the structures designed as a dual frame system, ranging from 2-story to 5-story, the value of 4 was estimated as a final response modification factor for a seismic design, considering the value of 5 as an upper limit of the number of stories.
In the present paper a new Neuro-Wavelet control algorithm is proposed based on a cost function to actively control the vibrations of structures under earthquake loads. A wavelet neural network (WNN) was developed to train the control algorithm. This algorithm is designed to control multi-degree-of-freedom (MDOF) structures which consider the geometric and material non-linearity, structural irregularity, and the incident direction of an earthquake load. The training process of the algorithm was performed by using the El-Centro 1940 earthquake record. A numerical model of a three dimensional (3D) three story building was used to accredit the control algorithm under three different seismic loads. Displacement responses and hysteretic behavior of the structure before and after the application of the controller showed that the proposed strategy can be applied effectively to suppress the structural vibrations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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