Damages to buildings affected by a near-fault strong ground motion are largely attributed to the vertical component of the earthquake resulting in column failures, which could lead to disproportionate building catastrophic collapse in a progressive fashion. Recently, considerable interests are awakening to study effects of earthquake vertical components on structural responses. In this study, detailed modeling and time-history analyses of a 12-story code-conforming reinforced concrete moment frame building carrying the gravity loads, and exposed to once only the horizontal component of, and second time simultaneously the horizontal and vertical components of an ensemble of far-field and near-field earthquakes are conducted. Structural responses inclusive of tension, compression and its fluctuations in columns, the ratio of shear demand to capacity in columns and peak mid-span moment demand in beams are compared with and without the presence of the vertical component of earthquake records. The influences of the existence of earthquake vertical component in both exterior and interior spans are separately studied. Thereafter, the correlation between the increase of demands induced by the vertical component of the earthquake and the ratio of a set of earthquake record characteristic parameters is investigated. It is shown that uplift initiation and the magnitude of tensile forces developed in corner columns are relatively more critical. Presence of vertical component of earthquake leads to a drop in minimum compressive force and initiation of tension in columns. The magnitude of this reduction in the most critical case is recorded on average 84% under near-fault ground motions. Besides, the presence of earthquake vertical components increases the shear capacity required in columns, which is at most 31%. In the best case, a direct correlation of 95% between the increase of the maximum compressive force and the ratio of vertical to horizontal 'effective peak acceleration (EPA)' is observed.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.04a
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pp.130-140
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2000
The earthquake hazard has been evaluated for 10km by 10km area around Kyeongju which is located near Yangsan fault and has abundant historical earthquake records. The ground motion potentials were determined based on equivalent linear analysis by using the data obtained from in situ and laboratory tests and the El centro eartqhuake record scaled to CLE and OLE of the region. The in situ tests include 9 boring investigations 2 crosshole 7 downhole 13 SASW tests and in the laboratory X-ray diffraction analyses and resonant column tests were performed. The peak ground accelerations range between 0.140g and 0.286g on CLE and between 0.051g and 0.116g on OLE respectively showing the good potential of amplification in the deep alluvial layer which is common in Kyeongju area. the response spectrum based on the Korea design guide was sometimes underestimate the motion. particularly near the natural period of the site and the importance of site-specific analysis and need for the improved site categorization method were introduced.
An experimental study was conducted to evaluate the effects of loading sequence and lateral bracing on the behavior of reduced beam section (RBS) steel moment frame connections. Four full-scale moment connections were cyclically tested-two with a standard loading history and the other two with a near-fault loading history. All specimens reached at least 0.03 radian of plastic rotation without brittle fracture of the beam flange groove welds. Two specimens tested with the nearfault loading protocol reached at least 0.05 radian of plastic rotation, and both experienced smaller buckling amplitudes at comparable drift levels. Energy dissipation capacities were insensitive to the types of loading protocol used. Adding a lateral bracing near the RBS region produced a higher plastic rotation; the strength degradation and buckling amplitude were reduced. A non-linear finite element analysis of a one-and-a-half-bay beam-column subassembly was also conducted to study the system restraint effect. The study showed that the axial restraint of the beam could significantly reduce the strength degradation and buckling amplitude at higher deformation levels.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.9
no.1
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pp.69-78
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2009
Recent earthquake, such as the Northridge(1994), the Kobe(1995) and the Izmit(1990) earthquakes, gave serious damage in various buildings and bridges by the vertical seismic component. Most of the seismic designs neglect the vertical seismic component for usual frame structures. The purpose of this study is to evaluate the effects of the vertical seismic component and to compare the axial force of columns and plastic rotation angle of the analytical models in these effects. The vertical seismic component produced a large increment of axial force in columns. And the vertical seismic component caused a significant increase of the damage in the columns. As analysis result, increase of axial force cause the damage of columns and give possibility of story collapse mechanism of the structure system. Therefore, area that near fault ground motion is expected may be consider the effect of vertical component of seismic ground motions.
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.
Evaluation on the sidesway seismic collapse capacity of the widely used low- and medium-height structures is meaningful. These structures with such type of collapse are recognized that behave as inelastic deteriorating single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To incorporate the deteriorating effects, the hysteretic loop of the nonlinear SDOF structural model is represented by a tri-linear force-displacement relationship. The concept of collapse capacity spectra are adopted, where the incremental dynamic analysis is performed to check the collapse point and a normalized ground motion intensity measure corresponding to the collapse point is used to define the collapse capacity. With a large amount of earthquake ground motions, a systematic parameter study, i.e., the influences of various ground motion parameters (site condition, magnitude, distance to rupture, and near-fault effect) as well as various structural parameters (damping, ductility, degrading stiffness, pinching behavior, accumulated damage, unloading stiffness, and P-delta effect) on the structural collapse capacity has been performed. The analytical formulas for the collapse capacity spectra considering above influences have been presented so as to quickly predict the structural collapse capacities.
Quaranta, Giuseppe;Mollaioli, Fabrizio;Monti, Giorgio
Earthquakes and Structures
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v.10
no.1
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pp.239-260
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2016
Tuned mass dampers (TMDs) have been frequently proposed to mitigate the detrimental effects of dynamic loadings in structural systems. The effectiveness of this protection strategy has been demonstrated for wind-induced vibrations and, to some extent, for seismic loadings. Within this framework, recent numerical studies have shown that beneficial effects can be achieved by placing a linear TMD on the roof of linear elastic structural systems subjected to pulse-like ground motions. Motivated by these positive outcomes, closed-form design formulations have been also proposed to optimize the device's parameters. For structural systems that undergo a near-fault pulse-like ground motion, however, it is unlikely that their dynamic response be linear elastic. Hence, it is very important to understand whether such strategy is effective for inelastic structural systems. In order to provide new useful insights about this issue, the paper presents statistical results obtained from a numerical study conducted for three shear-type hysteretic (softening-type) systems having 4, 8 and 16 stories equipped with a linear elastic TMD. The effectiveness of two design procedures is discussed by examining the performances of the protected systems subjected to 124 natural pulse-like earthquakes.
Among anti-seismic technologies, base isolation is a very effective means of mitigating damage to structural and nonstructural components, such as equipment. However, most seismic isolation systems are designed for mitigating only horizontal seismic responses because the realization of a vertical isolation system (VIS) is difficult. The difficulty is primarily due to conflicting isolation stiffness demands in the static and dynamic states for a VIS, which requires sufficient rigidity to support the self-weight of the isolated object in the static state, but sufficient flexibility to lengthen the isolation period and uncouple the ground motion in the dynamic state. To overcome this problem, a semi-active VIS, called the piezoelectric inertia-type vertical isolation system (PIVIS), is proposed in this study. PIVIS is composed of a piezoelectric friction damper (PFD) and a leverage mechanism with a counterweight. The counterweight provides an uplifting force in the static state and an extra inertial force in the dynamic state; therefore, the effective vertical stiffness of PIVIS is higher in the static state and lower in the dynamic state. The PFD provides a controllable friction force for PIVIS to further prevent its excessive displacement. For experimental verification, a shaking table test was conducted on a prototype PIVIS controlled by a simple controller. The experimental results well agree with the theoretical results. To further investigate the isolation performance of PIVIS, the seismic responses of PIVIS were simulated numerically by considering 14 vertical ground motions with different characteristics. The responses of PIVIS were compared with those of a traditional VIS and a passive system (PIVIS without control). The numerical results demonstrate that compared with the traditional and passive systems, PIVIS can effectively suppress isolation displacement in all kinds of earthquake with various peak ground accelerations and frequency content while maintaining its isolation efficiency. The proposed system is particularly effective for near-fault earthquakes with long-period components, for which it prevents resonant-like motion.
Fault rupture directivity of the Odaesan earthquake, which was inferred to be the main cause of the high PGAvalue (> 0.1 g) unusually observed at the near-source region, was analyzed by using the data from the nearby (R < 100 km) dense seismic stations. The Boatwright's method (2007) was adopted for this purpose in which the azimuth and takeoff angle of the unilateral rupture directivity function could be estimated based on the relative peak ground-motions of seismic stations resulting from the nature of the rupture directivity. In this study, the approximate values of the relative peak ground-motions was derived from the difference between the log residuals of the point-source spectral model (Boore, 2003) for the main and secondary events based on the Random Vibration Theory. In this derivation, the spectral difference for a frequency range between the source corner frequencies of main and secondary events was considered to reflect only the effect of the fault directivity. The inversion result of the model parameters for the fault directivity function showed that the fault-plane of NWW-SEE direction dipping steeply to the North with high rupture velocity near upward in SE direction is responsible for the observed high level of ground-motion at the near-source region.
Lu Deng;Min Zhu;Michael C.H. Yam;Ke Ke;Zhongfa Zhou;Zhonghua Liu
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.5
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pp.589-605
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2023
This paper investigates the ductility demands of steel frames equipped with self-centring fuses under near-fault earthquake motions considering multiple yielding stages. The study is commenced by verifying a trilinear self-centring hysteretic model accounting for multiple yielding stages of steel frames equipped with self-centring fuses. Then, the seismic response of single-degree-of-freedom (SDOF) systems following the validated trilinear self-centring hysteretic law is examined by a parametric study using a near-fault earthquake ground motion database composed of 200 earthquake records as input excitations. Based on a statistical investigation of more than fifty-two (52) million inelastic spectral analyses, the effect of the post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio on the mean ductility demand of the system is examined in detail. The analysis results indicate that the increase of post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio reduces the ductility demands of the self-centring oscillators responding in multiple yielding stages. A set of empirical expressions for quantifying the ductility demands of trilinear self-centring hysteretic oscillators are developed using nonlinear regression analysis of the analysis result database. The proposed regression model may offer a practical tool for designers to estimate the ductility demand of a low-to-medium rise self-centring steel frame equipped with self-centring fuses progressing in the ultimate stage under near-fault earthquake motions in design and evaluation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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