Guevara-Corzo, Jeffrey J.;Begambre-Carrillo, Oscar J.;Garcia-Sanchez, Jesus A.;Sanchez-Acevedo, Heller G.
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.4
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pp.417-434
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2022
In this work, a review of mechanical metamaterials and seismic protection systems that use them is carried out, focusing on passive protection systems. During the last years, a wide variety of classical systems of seismic protection have demonstrated to be an effective and practical way of reducing the seismic vulnerability of buildings, maintaining their health and structural integrity. However, with the emergence of metamaterials, which allow obtaining uncommon mechanical properties, new procedures and devices with high performance have been developed, reducing the seismic risk through novel approaches such as: seismic shields and the redirection of seismic waves; the use of stop band gaps and the construction of buried mass resonators; the design of pentamodal base isolators. These ideas are impacting traditional areas of structural engineering such as the design and building of highly efficient base isolation systems. In this work, recent advances in new seismic protection technologies and researches that integrate mechanical metamaterials are presented. A complete bibliometric analysis was carried out to identify and classify relevant authors and works related with passive seismic protection system based on mechanical metamaterial (pSPSmMMs). Finally, possible future scenarios for study and development of seismic isolators based on mechanical metamaterials are shown, identifying the relevant topics that have not yet been explored, as well as those with the greatest potential for future application.
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.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.5
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pp.13-18
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1993
The purpose of this study is to analyze the seismic effects of Lead Rubber Bearing base isolators on bridges. Base isolation is the tool to minimize the effect of earthquake before the seismic force is transfered to the structure. Currently, many structures including the buildings, power plants, and bridges, were built and planned with base isolation method. The simple model is developed for bridges with Lead Rubber Bearings. Equations of motion are solved by Newmark ${\beta}$ method. Springs representing the base isolators are assumed as bilinear springs and piers are modeled as nonlinear springs implementing Q-HYST model. Analysis is performed for the selected bridge. El Centro (N-S) earthquake(1940) is used. Deck displacement, pier ductility and pier shear force are calculated for the various Lead Rubber Bearings.
The scope of this study is the comparison between experimental results of tests performed on a base isolated building using helical wire rope isolators (WRs), and results of Nonlinear Response History Analyses (NRHAs) performed using SAP 2000, a commercial software for structural analysis. In the first stage of this research, WRs have been tested under shear deformation beyond their linear range of deformation, and analytical models have been derived to describe the nonlinear response of the bearings under different directions of loading. On the following stage, shaking table tests have been carried out on a 1/3 scale steel model isolated at the base by means of curved surface sliders (CSS) and WRs. The response of the structure under ground motion excitation has been compared to that obtained using numerical analyses in SAP 2000. The feasibility of modelling the nonlinear behavior of the tested isolation layer using multilinear link elements embedded in SAP 2000 is discussed in this paper, together with the advantages of using WRs as supplemental devices for CSSs base isolated structures.
Mathematical formulas for multi-dimensional isolation analysis via vibrational power transmission can be derived in a rather simple form when the wave effects of the isolators are completely neglected. With increase of frequency range of interest, however, the wave effects play a very important role and hence cannot be neglected. The formulas get involved accordingly. In this study, a method of equivalent stiffness modeling of the isolators to include the wave effects is proposed in such a way that not only the complexity of the mathematical expressions but also that of experiments of necessity can be reduced. This method is illustratively applied to a two-dimensional vibration isolation system with nonrigid source and base structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.2
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pp.69-76
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2010
After obtaining tensile and compressive stiffness as well as shear stiffness of elastomeric seismic isolator experimentally, those stiffness were modeled analytically using nonlinear computer program. To induce tensile stress due to overturning in the seismic isolators of an isolated frame for horizontal force, free vibration simulations generated by large initial displacement were conducted. Since elastomeric seismic isolator is weak for tensile stress, the axial stiffness of isolators shall be included properly in the analytical model to evaluate the uplift phenomenon of elastomeric seismic isolator.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.6
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pp.311-322
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2017
In this study, the seismic performance of concrete-steel composite moment frame structures equipped with seismic retrofitting systems such as seismic reinforcement, base isolators, and bracing members, which are typical earthquake damage mitigation systems, is evaluated through nonlinear dynamic analyses. A total of five frame models were designed and each frame model was developed for numerical analyses. A total of 80 ground acceleration data were used to perform the nonlinear dynamic analysis to measure ground shear force and roof displacement, and to evaluate the behavioral performance of each frame model by measuring inter-story drift ratios. The analysis results indicate that the retrofitting device of the base isolator make a significant contribution to generating relatively larger absolute displacement than other devices due to flexibility provided to interface between ground and column base. However, the occurrence of the inter-story drift ratio, which is a relative displacement that can detect the damage of the structure, is relatively small compared with other models. On the other hand, the seismic reinforced frame model enhanced with the steel plate at the lower part of the column was found to be the least efficient.
The effects of vertical component of earthquakes on torsional amplification due to mass eccentricity in seismic responses of base-isolated structures subjected to near-field ground motions are studied in this paper. 3-, 6- and 9-story superstructures and aspect ratios of 1, 2 and 3 have been modeled as steel special moment frames mounted on Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratios. Three-dimensional linear superstructures resting on nonlinear isolators are subjected to both 2 and 3 component near-field ground motions. Effects of mass eccentricity and vertical component of 25 near-field earthquakes on the seismic responses including maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration are studied. The results indicate that the effect of vertical component on the responses of asymmetric structures, especially on the base shear is significant. Therefore, it can be claimed that in the absence of the vertical component, mass eccentricity has a little effect on the base shear increase. Additionally, the impact of this component on acceleration is remarkable so the roof acceleration of a nine-story structure has been increased 1.67 times, compared to the case that the structure is subjected to only horizontal components of earthquakes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.231-238
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1997
Many methods have been proposed for achieving optimum performance of structures subjected to earthquake excitation. The conventional approach requires that structures passively resist earthquakes through a combination of strength, deformability, and energy absorption. Base isolation is a technique for mitigating the effects of earthquakes on structures through the introduction of flexibility and energy absorption capability. In this paper, a parametric study of effectiveness of isolation systems with various main structures' properties is carried out through the response spectrum analysis. It is shown that, most base isolators with its longer period and higher damping can significantly reduce the base shear force transmitted to the structures.
Base isolation technologies have been proven to be very efficient in protecting structures from seismic hazards during experimental and theoretical studies. In recent years, there have been more and more engineering applications using base isolators to upgrade the seismic resistibility of structures. Optimum design of the base isolator can lessen the undesirable seismic hazard with the most efficiency. Hence, tracing the nonlinear behavior of the base isolator with good accuracy is important in the engineering profession. In order to predict the nonlinear behavior of base isolated structures precisely, hundreds even thousands of degrees-of-freedom and iterative algorithm are required for nonlinear time history analysis. In view of this, a simple and feasible exact formulation without any iteration has been proposed in this study to calculate the seismic responses of structures with base isolators. Comparison between the experimental results from shaking table tests conducted at National Center for Research on Earthquake Engineering in Taiwan and the analytical results show that the proposed method can accurately simulate the seismic behavior of base isolated structures with elastomeric bearings. Furthermore, it is also shown that the proposed method can predict the nonlinear behavior of the VCFPS isolated structure with accuracy as compared to that from the nonlinear finite element program. Therefore, the proposed concept can be used as a simple and practical tool for engineering professions for designing the elastomeric bearing as well as sliding bearing.
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