This study proposes an intelligent semi-active isolation system combining a variable-stiffness control device and ground motion characteristic prediction. To determine the optimal control parameter in real-time, a genetic algorithm (GA)-fuzzy control law was developed in this study. Data on various types of ground motions were collected, and the ground motion characteristics were quantified to derive a near-fault (NF) characteristic ratio by employing an on-site earthquake early warning system. On the basis of the peak ground acceleration (PGA) and the derived NF ratio, a fuzzy inference system (FIS) was developed. The control parameters were optimized using a GA. To support continuity under near-fault and far-field ground motions, the optimal control parameter was linked with the predicted PGA and NF ratio through the FIS. The GA-fuzzy law was then compared with other control laws to verify its effectiveness. The results revealed that the GA-fuzzy control law could reliably predict different ground motion characteristics for real-time control because of the high sensitivity of its control parameter to the ground motion characteristics. Even under near-fault and far-field ground motions, the GA-fuzzy control law outperformed the FPEEA control law in terms of controlling the isolation layer displacement and the superstructure acceleration.
The seismic performance of the tall building equipped with a tuned mass damper (TMD) considering soil-structure interaction (SSI) effects is well studied in the literature. However, these studies are performed on the nominal model of the seismic-excited structural system with SSI. Hence, the outcomes of the studies may not valid for the actual structural system. To address the study gap, the reliability theory as a useful and powerful method is utilized in the paper. The present study aims to carry out reliability analyses on tall buildings equipped with TMD under near-field pulse-like (NFPL) ground motions considering SSI effects using a subset simulation (SS) method. In the presence of uncertainties of the structural model, TMD device, foundation, soil, and near-field pulse-like ground motions, the numerical studies are performed on a benchmark 40-story building and the failure probabilities of the structures with and without TMD are evaluated. Three types of soils (dense, medium, and soft soils), different earthquake magnitudes (Mw = 7,0. 7,25. 7,5 ), different nearest fault distances (r = 5. 10 and 15 km), and three seismic performance levels of immediate occupancy (IO), life safety (LS), and collapse prevention (CP) are considered in this study. The results show that tall buildings built near faults and on soft soils are more affected by uncertainties of the structural and ground motion models. Hence, ignoring these uncertainties may result in an inaccurate estimation of the maximum seismic responses. Also, it is found the TMD is not able to reduce the failure probabilities of the structure in the IO seismic performance level, especially for high earthquake magnitudes and structures built near the fault. However, TMD is significantly effective in the reduction of failure probability for the LS and CP performance levels. For weak earthquakes and long fault distances, the failure probabilities of both structures with and without TMD are near zero, and the efficiency of the TMD in the reduction of failure probabilities is reduced by increasing earthquake magnitudes and the reduction of fault distance. As soil softness increases, the failure probability of structures both with and without TMD often increases, especially for severe near-fault earthquake motion.
Yeeun Kim;Sina Kong;Sinith Kung;Jiho Moon;Jong-Keol Song
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.2
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pp.119-131
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2024
Pulse-like ground motion can cause greater damage to structures than nonpulse-like ground motion. Currently, much research is being conducted to determine the presence or absence of velocity pulses and to quantify them from seismic-acceleration records. Existing ground motion is divided into far-field (FF) and near-fault ground motion, based on the distance of the measurement point from the fault. Near-fault ground motion is further classified into near-fault pulse-like (NFP) and near-fault nonpulse-like (NFNP) ground motion by quantifying the presence or absence of velocity pulses. For each ground motion group, 40 FF, 40 NFP, and 40 NFNP ground motions are selected; thus, 120 ground motions are used in the seismic analysis to assess the seismic fragility of sample bridges. Probabilistic seismic demand models (PSDMs) are created by evaluating the seismic responses of two types of sample bridges with lead-rubber and elastomeric rubber bearings using three groups of ground motions. Seismic fragility analysis is performed using the PSDM, and from these results, the effect of the presence or absence of seismic velocity pulses on the seismic fragility is evaluated. From the comparison results of the seismic fragility curve, the seismic fragility of NFP ground motion appears to be approximately three to five times greater than that of NFNP ground motion, according to the presence or absence of a velocity pulse of seismic waves. This means that the damage to the bridge is greater in the case of NFP ground motion than that in the case of NFNP ground motion.
This study investigates the optimum design parameters of a superelastic friction base isolator (S-FBI) system through a multi-objective genetic algorithm to improve the performance of isolated buildings against near-fault earthquakes. The S-FBI system consists of a flat steel-PTFE sliding bearing and superelastic NiTi shape memory alloy (SMA) cables. Sliding bearing limits the transfer of shear across the isolation interface and provides damping from sliding friction. SMA cables provide restoring force capability to the isolation system together with additional damping characteristics. A three-story building is modeled with S-FBI isolation system. Multiple-objective numerical optimization that simultaneously minimizes isolation-level displacements and superstructure response is carried out with a genetic algorithm in order to optimize S-FBI system. Nonlinear time history analyses of the building with optimal S-FBI system are performed. A set of 20 near-fault ground motion records are used in numerical simulations. Results show that S-FBI system successfully control response of the buildings against near-fault earthquakes without sacrificing in isolation efficacy and producing large isolation-level deformations.
Semi-active control equipments are used to effectually enhance the seismic behavior of structures. Magneto-rheological (MR) dampers are semi-active devices that can be utilized to control the response of structures during seismic loads and have received voracious attention for response suppression. They supply the adaptability of active devices and stability and reliability of passive devices. This paper presents an optimal fuzzy logic control scheme for vibration mitigation of buildings using magneto-rheological dampers subjected to near-fault ground motions. Near-fault features including a directivity pulse in the fault-normal direction and a fling step in the fault-parallel direction are considered in the requisite ground motion records. The membership functions and fuzzy rules of fuzzy controller were optimized by genetic algorithm (GA). Numerical study is performed to analyze the influences of near-fault ground motions on a building that is equipped with MR dampers. Considering the uncontrolled system response as the base line, the proposed method is scrutinized by analogy with that of a conventional maximum dissipation energy (MED) controller to accentuate the effectiveness of the fuzzy logic algorithm. Results reveal that the fuzzy logic controllers can efficiently improve the structural responses and MR dampers are quite promising for reducing seismic responses during near-fault earthquakes.
In order to investigate the seismic behavior of highway bridges under near-fault earthquakes, a parametric study was conducted for different regular and irregular bridges. To this end, an existing regular viaduct Highway Bridge was used as a reference model and five irregular samples were generated by varying span length and pier height. The seismic response of the six highway bridges was evaluated by three dimensional non-linear response history analysis using an ensemble of far-fault and scenario-based near-fault records. In this regard, drift ratio, input and dissipated energy as well as damage index of bridges were compared under far- and near-fault motions. The results indicate that the drift ratio under near-fault motions, on the average, is 100% and 30% more than far-fault motions at DBE and MCE levels, respectively. The energy and damage index results demonstrate a dissipation of lower energy in piers and a significant increase of collapse risk, especially for irregular highway bridges, under near-fault ground motions.
Linear and nonlinear time history analyses have been becoming more common in seismic analysis and design of structures with advances in computer technology and earthquake engineering. One of the most important issues for such analyses is the selection of appropriate acceleration time histories and matching these histories to a code design acceleration spectrum. In literature, there are three sources of acceleration time histories: artificial records, synthetic records obtained from seismological models and accelerograms recorded in real earthquakes. Because of the increase of the number of strong ground motion database, using and scaling real earthquake records for seismic analysis has been becoming one of the most popular research issues in earthquake engineering. In general, two methods are used for scaling actual earthquake records: scaling in time domain and frequency domain. The objective of this study is twofold: the first is to discuss and summarize basic methodologies and criteria for selecting and scaling ground motion time histories. The second is to analyze scaling results of time domain method according to ASCE 7-05 and Eurocode 8 (1998-1:2004) criteria. Differences between time domain method and frequency domain method are mentioned briefly. The time domain scaling procedure is utilized to scale the available real records obtained from near fault motions and far fault motions to match the proposed elastic design acceleration spectrum given in the Eurocode 8. Why the time domain method is preferred in this study is stated. The best fitted ground motion time histories are selected and these histories are analyzed according to Eurocode 8 (1998-1:2004) and ASCE 7-05 criteria. Also, characteristics of both near fault ground motions and far fault ground motions are presented by the help of figures. Hence, we can compare the effects of near fault ground motions on structures with far fault ground motions' effects.
Ground motions recorded in near-fault sites, where the rupture propagates toward the site, are significantly different from those observed in far-fault regions. In this research, finite element modeling is used to investigate the effect of pile cap stiffness on the seismic response of soil-pile-structure systems under near-fault ground motions. The Von Wolffersdorff hypoplastic model with the intergranular strain concept is applied for modeling of granular soil (sand) and the behavior of structure is considered to be non-linear. Eight fault-normal near-field ground motion records, recorded on rock, are applied to the model. The numerical method developed is verified by comparing the results with an experimental test (shaking table test) for a soil-pile-structure system. The results, obtained from finite element modeling under near-fault ground motions, show that when the value of cap stiffness increases, the drift ratio of the structure decreases, whereas the pile relative displacement increases. Also, the residual deformations in the piles are due to the non-linear behavior of soil around the piles.
CHOI IN-KlL;KIM MIN KYU;CHOUN YOUNG-SUN;SEO JEONG-MOON
Nuclear Engineering and Technology
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v.37
no.2
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pp.191-200
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2005
Shaking table tests of the seismic behavior of a steel frame structure model were performed. The purpose of these tests was to estimate the effects of a near-fault ground motion and a scenario earthquake based on a probabilistic seismic hazard analysis for nuclear power plant structures. Three representative kinds of earthquake ground motions were used for the input motions: the design earthquake ground motion for the Korean nuclear power plants, the scenario earthquakes for Korean nuclear power plant sites, and the near-fault earthquake record from the Chi-Chi earthquake. The probability-based scenario earthquakes were developed for the Korean nuclear power plant sites using the PSHA data. A 4-story steel frame structure was fabricated to perform the tests. Test results showed that the high frequency ground motions of the scenario earthquake did not damage the structure at the nuclear power plant site; however, the ground motions had a serious effect on the equipment installed on the high floors of the building. This shows that the design earthquake is not conservative enough to demonstrate the actual danger to safety related nuclear power plant equipment.
The intensity of a ground motion can be measured by a number of parameters, some of which might exhibit robust correlations with the damage of structures subjected to that motion. In this study, 204 near-fault pulse-type records are selected and their seismic parameters are determined. Time history and damage analyses of a tested 3-storey reinforced concrete frame representing for low-rise reinforced concrete buildings subjected to those earthquake motions are performed after calibration and comparison with the available experimental results. The aim of this paper is to determine amongst several available seismic parameters, the ones that have strong correlations with the structural damage measured by a damage index and the maximum inter-story drift. The results show that Velocity Spectrum Intensity is the leading parameter demonstrating the best correlation, followed by Housner Intensity, Spectral Acceleration and Spectral Displacement. These seismic parameters are recommended as reliable parameters of near-fault pulse-type motions related to damage potential of low-rise reinforced concrete structures. The results also reaffirm that the conventional and widely used parameter of Peak Ground Acceleration does not exhibit a good correlation with the structural damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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