The concept of base isolation for equipment is well known. Its application in buildings and structures is rather challenging. Introduction of horizontal flexibility at the base helps in proper energy dissipation at the base level thus reducing the seismic demand of the super structure to be considered during design. The present study shows the results of a series of numerical simulation studies on seismic responses of secondary system (SS) housed in non-isolated and base-isolated primary structures (PS) including equipment-structure interactions. For this study the primary structure consists of two similar single bay three-store reinforced cement concrete (RCC) Frame building, one non-isolated with conventional foundation and another base isolated with Lead plug bearings (LPB) constructed at IIT Guwahati, while the secondary system is modeled as a steel frame. Time period of the base isolated building is higher than the fixed building. Due to the presence of isolator, Acceleration response is significantly reduced in both (X and Y) direction of Building. It have been found that when compared to fixed base building, the base isolated building gives better performance in high seismic prone areas.
This paper presents a response spectrum analysis procedure suitable for base isolated regular buildings subjected to near fault ground motions. This procedure is based on the fact that the isolation system may be treated separately since the superstructure behaves as a rigid body on well selected isolation systems. The base isolated building is decomposed into several single-degree of freedom systems, the first one having the total weight of the building is isolated while the remainder when superposed they replicate approximately the behavior of the superstructure. The response of the isolation system is governed by a response spectrum generated for a single isolated mass. The concept of the procedure and its application for the analysis of base isolated structures is illustrated with an example. The present analysis procedure is shown to be accurate enough for the preliminary design and overcomes the limits of applicability of the conventional linear response spectrum analysis.
This paper investigates the effectiveness of the MR damper-based control systems for seismic protection of base isolated building sturcutres employing some semiactive control algorithms, such as the modified clipped-optimal control, the maximum energy dissipation, and the modulated homogeneous friction, by examining the Phase I smart base isolated benchmark building problem. The results of the numerical simulations showed that most of the control systems considered herein could be beneficial in reducing seismic responses, especially base displacement or isolator deformation, of base isolated building structures. It is also verified that another version of the modified clipped-optimal control algorithm proposed in this study and the modulated homogeneous friction algorithm are more effective than other semiactive control algorithms.
This study investigates the feasibility of retrofitting an existing building by connecting the existing building to a new building using connecting dampers. The new building is base-isolated and viscoelastic dampers are assigned as connecting dampers. Scaled models are tested under three different earthquake records using a shaking table. The existing building and the new building are 9 and 8 stories respectively. The existing building model shows more than 3% increase in damping ratio. The maximum dynamic responses and the root mean square responses of the existing building model to earthquakes are substantially reduced by at least 20% and 59% respectively. Further, numerical models are developed by conducting time-history analysis to predict the performance of the proposed seismic mitigation system. The predictions agree well with the test results. Numerical simulations are carried out to optimize the properties of connecting dampers and base isolators. It is demonstrated that more than 50% of the peak responses can be reduced by properly adjusting the properties of connecting dampers and base isolators.
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.
Since the peak seismic response of a base-isolated building strongly depends on the characteristics of the imposed seismic ground motion, the behavior of a base-isolated building under different seismic ground motions is studied, in order to better assess their effects on its peak seismic response. Specifically, the behavior of a typical steel building is examined as base-isolated with elastomeric bearings, while the effect of near-fault ground motions is studied by imposing 7 pairs of near- and 7 pairs of far-fault seismic records, from the same 7 earthquake events, to the building, under 3 different loading combinations, through three-dimensional (3D) nonlinear dynamic analyses, conducted with SAP2000. The results indicate that near-fault seismic components are more likely to increase the building's peak seismic response than the corresponding far-fault components. Furthermore, the direction of the imposed earthquake excitations is also varied by rotating the imposed pairs of seismic records from 0◦ to 360◦, with respect to the major construction axes. It is observed that the peak seismic responses along the critical incident angles, which in general differ from the major horizontal construction axes of the building, are significantly higher. Moreover, the influence of 5% and 10% accidental mass eccentricities is also studied, revealing that when considering accidental mass eccentricities the peak relative displacements of the base isolated building at the isolation level are substantially increased, while the peak floor accelerations and interstory drifts of its superstructure are only slightly affected.
This paper presents an analytical evaluation of the effect of motion on seismic responses of base isolated low-level building and experimental studies to evaluate isolation performances of a rubber bearing. Dynamic responses induced by earthquake were evaluated by response analyses, taking the rubber bearing of the base isolation devices into account. In the experiment, vibration tests were carried out using a model for rubber bearings as isolation devices against earthquake in order to investigate the isolation performances of the rubber bearings. Several kinds of rubber bearing for base isolated low-level building against earthquake are examined. As a result, it is shown that the effect of the motion on the response of the building and the base response is well controlled from a seismic design standpoint.
Liang Gao;Dewen Liu;Yuan Zhang;Yanping Zheng;Jingran Xu;Zhiang Li;Min Lei
Earthquakes and Structures
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제26권1호
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pp.17-30
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2024
Earthquakes can lead to substantial damage to buildings, with long-period ground motion being particularly destructive. The design of high-performance building structures has become a prominent focus of research. The double-story isolated structure is a novel type of isolated structure developed from base isolated structure. To delve deeper into the building performance of double-story isolated structures, the double-story isolated structure was constructed with the upper isolated layer located in different layers, alongside a base isolated structure for comparative analysis. Nonlinear elastoplastic analyses were conducted on these structures using different ground motion inputs, including ordinary ground motion, near-field impulsive ground motion, and far-field harmonic ground motion. The results demonstrate that the double-story isolated structure can extend the structural period further than the base isolated structure under three types of ground motions. The double-story isolated structure exhibits lower base shear, inter-story displacement, base isolated layer displacement, story shear, and maximum acceleration of the top layer, compared to the base isolated structure. In addition, the double-story isolated structure generates fewer plastic hinges in the frame, causes less damage to the core tube, and experiences smaller overturning moments, demonstrating excellent resistance to overturning and a shock-absorbing effect. As the upper isolated layer is positioned higher, the compressive stress on the isolated bearings of the upper isolated layer in the double-story isolated structure gradually decreases. Moreover, the compressive stress on the isolated bearings of the base isolated layer is lower compared to that of the base isolated structure. However, the shock-absorbing capacity of the double-story isolated structure is significantly increased when the upper isolated layer is located in the middle and lower section. Notably, in regions exposed to long-period ground motion, a double-story isolated structure can experience greater seismic response and reduced shock-absorbing capacity, which may be detrimental to the structure.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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제25권2호
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pp.155-167
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2020
This paper demonstrates a real-time hybrid substructuring (RTHS) shake table test to evaluate the seismic performance of a base isolated building. Since RTHS involves a feedback loop in the test implementation, the frequency dependent magnitude and inherent time delay of the actuator dynamics can introduce inaccuracy and instability. The paper presents a robust stability and performance analysis method for the RTHS test. The robust stability method involves casting the actuator dynamics as a multiplicative uncertainty and applying the small gain theorem to derive the sufficient conditions for robust stability and performance. The attractive feature of this robust stability and performance analysis method is that it accommodates linearized modeled or measured frequency response functions for both the physical substructure and actuator dynamics. Significant experimental research has been conducted on base isolators and dampers toward developing high fidelity numerical models. Shake table testing, where the building superstructure is tested while the isolation layer is numerically modeled, can allow for a range of isolation strategies to be examined for a single shake table experiment. Further, recent concerns in base isolation for long period, long duration earthquakes necessitate adding damping at the isolation layer, which can allow higher frequency energy to be transmitted into the superstructure and can result in damage to structural and nonstructural components that can be difficult to numerically model and accurately predict. As such, physical testing of the superstructure while numerically modeling the isolation layer may be desired. The RTHS approach has been previously proposed for base isolated buildings, however, to date it has not been conducted on a base isolated structure isolated at the ground level and where the isolation layer itself is numerically simulated. This configuration provides multiple challenges in the RTHS stability associated with higher physical substructure frequencies and a low numerical to physical mass ratio. This paper demonstrates a base isolated RTHS test and the robust stability and performance analysis necessary to ensure the stability and accuracy. The tests consist of a scaled idealized 4-story superstructure building model placed directly onto a shake table and the isolation layer simulated in MATLAB/Simulink using a dSpace real-time controller.
지진 다발 지역인 일본에서 최근 초고층 건축물에 전단키를 갖는 면진 구조물에 많이 건설되고 있으며 초고층 건축물은 중저층 건축물과 비교하여 고유진동주수가 크기 때문에 지진하중이 작아 지진에 대한 피해가 적다. 지진에 의하여 큰 전단력이 발생할 경우에 전단키를 갖는 면진장치의 전단키는 파괴되고 면진장치가 지진에 거동하게 되며 만약에 퐁하중이 지진하중보다 크다면 전단키를 지진하중에 대하여 설계하는 것이 아니라 풍하중에 의하여 설계하여야 한다. 중진지역인 한국에서도 면진 건축물에 있어서 전단키의 필요성 요구되며 이에 대한 검증이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 5층과 15층 면진 건축물에 대하여 전단키를 적용하고 지진해석을 실시하여 그 거동을 비교분석, 면진 건축물에 대한 전단키의 필요성을 알아보았다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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