Serror, Mohammed H.;El-Gazzar, Sherif O.;Mourad, Sherif A.
Earthquakes and Structures
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v.8
no.5
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pp.1091-1111
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2015
Base isolation is an effective method for protecting structures against earthquake hazard. It elongates the period of vibration and introduces supplemental damping to the structural system. The stiffness, damping and displacement are coupled forcing the code seismic design procedure to be unnecessarily complicated. In addition, the force reduction factor -a key parameter in the design procedurehas not been well addressed by seismic design codes at the high levels of damping due to the pronounced difference between pseudo and actual accelerations. In this study, a comparison has been conducted to evaluate eight different methods, in the literature, for calculating the force reduction factor due to damping. Accordingly, a simplified seismic analysis procedure has been proposed based on the well documented N2 method. Comprehensive analysis has been performed for base-isolated structure models for direct application and verification of the proposed procedure. The results have been compared with those of the European code EC8, the nonlinear time history analysis and investigations in the literature, where good agreement has been reported. In addition, a discussion has been elaborated for the resulted response of the base-isolated structure models with respect to the dynamic characteristics of the base isolation system.
Characteristic parameter values of seismic isolators deviate from their nominal design values due to uncertainties and/or errors in their material properties and element dimensions, etc. Deviations may increase over service life due to environmental effects and service conditions. For accurate evaluation of the seismic safety level, all such effects, which would result in deviations in the structural response, need to be taken into account. In this study, the sensitivity of the probability of failure of the structures equipped with nonlinear base isolation systems to the uncertainties in various isolation system characteristic parameters is investigated in terms of various isolation system and superstructure response parameters in the context of a realistic three-dimensional base-isolated building model via Monte Carlo Simulations. The inherent record-to-record variability nature of the earthquake ground motions is also taken into account by carrying out analyses for a large number of ground motion records which are classified as those with and without forward-directivity effects. Two levels of nominal isolation periods each with three different levels of uncertainty are considered. Comparative plots of cumulative distribution functions and related statistical evaluation presented here portray the potential extent of the deviation of the structural response parameters resulting from the uncertainties and the uncertainty levels considered, which is expected to be useful for practicing engineers in evaluating isolator test results for their projects.
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.
A typical viable technique to decrease the seismic response of liquid storage tanks is to isolate them at the base. Base-isolation systems are an efficient and feasible solution to reduce the vulnerability of structures in high seismic risk zones. Nevertheless, when liquid storage tanks are under long-period shaking, the base-isolation systems could have different impacts. These kinds of earthquakes can damage the tanks readily. Hence, the seismic behaviour and vibration of cylindrical liquid storage tanks, subjected to earthquakes, is of paramount importance, and it is investigated in this paper. The Finite Element Method is used to evaluate seismic response in addition to the reduction of excessive liquid sloshing in the tank when subjected to the long-period ground motion. The non-linear stress-strain behaviour pertaining to polymers and rubbers is implemented while non-linear contact elements are employed to describe the 3-D surface-to-surface contact. Therefore, Nonlinear Procedures are used to investigate the fluid-structure interactions (FSI) between liquid and the tank wall while there is incompressible liquid. Part I, examines the effect of the flexibility of the isolation system and the tank aspect ratio (height to radius) on the tank wall radial displacements of the tank wall and the liquid sloshing heights. Maximum stress and base shear force for various aspect ratios and different base-isolators, which are subjected to three seismic conditions, will be discussed in Part II. It is shown that the composite-base isolator is much more effective than other isolators due to its high flexibility and strength combined. Moreover, the base isolators may decrease the maximum level pertaining to radial displacement.
Performance of a prototype base isolated building located at Indian Institute of Technology, Guwahati (IITG) has been studied here. Two numbers of three storeyed single bay RCC framed prototype buildings were constructed for experimental purpose at IITG, one supported on conventional isolated footings and the other on a seismic isolation system, consisting of lead plug bearings. Force balance accelerometers and a 12 channel strong motion recorder have been used for recording building response during seismic events. Floor responses from these buildings show amplification for the conventional building while 60 to 70% reduction has been observed for the isolated building. Numerical models of both the buildings have been created in SAP2000 Nonlinear. Infill walls have been modeled as compression struts and have been incorporated into the 3D models using Gap elements. System identification of the recorded data has been carried out using Parametric State Space Modeling (N4SID) and the numerical models have been updated accordingly. The study demonstrates the effectiveness of base isolation systems in controlling seismic response of isolated buildings thereby leading to increased levels of seismic protection. The numerical models calibrated by relatively low level of earthquake shaking provides the starting point for modeling the non-linear response of the building when subjected to strong shaking.
As a practical and effective seismic resisting technology, the base isolation system has seen extensive applications in buildings and bridges. However, a few problems associated with conventional lead-rubber bearings have been identified after historical strong earthquakes, e.g., excessive permanent deformations of bearings and potential unseating of bridge decks. Recently the applications of shape memory alloys (SMA) have received growing interest in the area of seismic response mitigation. As a result, a variety of SMA-based base isolators have been developed. These novel isolators often lead to minimal permanent deformations due to the self-centering feature of SMA materials. However, a rational design approach is still missing because of the fact that conventional design method cannot be directly applied to these novel devices. In light of this limitation, a displacement-based design approach for highway bridges with SMA isolators is proposed in this paper. Nonlinear response spectra, derived from typical hysteretic models for SMA, are employed in the design procedure. SMA isolators and bridge piers are designed according to the prescribed performance objectives. A prototype reinforced concrete (RC) highway bridge is designed using the proposed design approach. Nonlinear dynamic analyses for different seismic intensity levels are carried out using a computer program called "OpenSees". The efficacy of the displacement-based design approach is validated by numerical simulations. Results indicate that a properly designed RC highway bridge with novel SMA isolators may achieve minor damage and minimal residual deformations under frequent and rare earthquakes. Nonlinear static analysis is also carried out to investigate the failure mechanism and the self-centering ability of the designed highway bridge.
In this paper, an analytical study was carried out to propose an optimum base-isolated system for the design of steel structures equipped with lead rubber bearings (LRB). For this, 5 and 10-storey steel moment resisting frames (MRFs) were designed as Special Moment Frame (SMF). These two-dimensional and three-bay frames equipped with a set of isolation systems within a predefined range that minimizes the response of the base-isolated frames subjected to a series of earthquakes. In the design of LRB, two main parameters, namely, isolation period (T) and the ratio of strength to weight (Q/W) supported by isolators were considered as 2.25, 2.5, 2.75 and 3 s, 0.05, 0.10 and 0.15, respectively. The Force-deformation behavior of the isolators was modelled by the bi-linear behavior which could reflect the nonlinear characteristics of the lead-plug bearings. The base-isolated frames were modelled using a finite element program and those performances were evaluated in the light of the nonlinear time history analyses by six natural accelerograms compatible with seismic hazard levels of 2% probability of exceedance in 50 years. The performance of the isolated frames was assessed in terms of roof displacement, relative displacement, interstorey drift, absolute acceleration, base shear and hysteretic curve.
This paper investigates the seismic response of a typical non-navigable continuous girder bridge isolated with friction sliding bearings of the Hong Kong-Zhuhai-Macao link projects in China. The effectiveness of the friction pendulum system (FPS) and accuracy of the numerical model were evaluated by a 1/20 scaled bridge model using shaking table tests. Based on the hysteretic properties of friction pendulum system (FPS), double concave friction pendulum (DCFP), and triple friction pendulum system (TFPS), seismic response analyses of isolated bridges with the three sliding-type bearings are systematically carried out considering soil-pile interaction under offshore soft clay conditions. The fast nonlinear analysis (FNA) method and response spectrum are employed to investigate the seismic response of isolated offshore bridge structures. The numerical results show that the implementation of the three sliding-type bearings effectively reduce the base shear and bending moment of the reinforced concrete pier, at the cost of increasing the absolute displacement of the bridge superstructure. Furthermore, the TFPS and DCFP bearings show better isolation effect than FPS bearing for the example continuous girder bridge.
Park, Yong-Koo;Kim, Hyun-Su;Ko, Hyun;Park, Hyun-Jae;Lee, Dong-Guen
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.15
no.1
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pp.1-10
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2011
Recently, there has been an increased interest in the noise isolation capacity of floor slabs, and thus an increase of slab thickness is required. In addition, long span floor systems are frequently used for efficient space use of building structures. In order to satisfy these requirements, a biaxial hollow slab system has been developed. To verify the structural capacity of a biaxial hollow slab system, safety verification against earthquake loads is essential. Therefore, the seismic behavior of a biaxial hollow slab system has been investigated using material nonlinear time history analyses. For efficient time history analyses, the equivalent plate element model previously proposed was used and the seismic capacity of the example structure having a biaxial hollow slab system has been evaluated using the nonlinear finite element model developed by the equivalent frame method. Based on analytical results, it has been shown that the seismic capacity of a biaxial hollow slab system is not worse than that of a flat plate slab system with the same thickness.
Recently, earthquake proof technology has been widely applied to both new and existing structures and bridges. The analysis of bridge systems equipped with structural control devices, which possess large degrees of freedom and nonlinear characteristics, is a result in time-consuming task. Therefore, a piecewise exact solution is proposed in this study to simplify the seismic mitigation analysis process for bridge systems equipped with sliding-type isolators. In this study, the simplified system having two degrees of freedom, to reasonably represent the large number of degrees of freedom of a bridge, and is modeled to obtain a piecewise exact solution for system responses during earthquakes. Simultaneously, we used the nonlinear finite element computer program to analyze the bridge responses and verify the accuracy of the proposed piecewise exact solution for bridge systems equipped with sliding-type isolators. The conclusions derived by comparing the results obtained from the piecewise exact solution and nonlinear finite element analysis reveal that the proposed solution not only simplifies the calculation process but also provides highly accurate seismic responses of isolated bridges under earthquakes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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