Liang Gao;Dewen Liu;Yuan Zhang;Yanping Zheng;Jingran Xu;Zhiang Li;Min Lei
Earthquakes and Structures
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v.26
no.1
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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.
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.
Seismic base isolation has been accepted as one of the most popular design procedures to protect important structures against earthquakes. However, due to lack of information and experimental data the application of base isolation is quite limited to nuclear power plant (NPP) industry. Moreover, the effects of inelastic behavior of soil beneath base-isolated NPP have raised questions to the effectiveness of isolation device. This study applies the wavelet analysis to investigate the effects of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response of a base-isolated NPP structure. To evaluate the SSI effects, the NPP structure is modelled as a lumped mass stick model and combined with a soil model using the concept of cone models. The lead rubber bearing (LRB) base isolator is used to adopt the base isolation system. The shear wave velocity of soil is varied to reflect the real rock site conditions of structure. The comparison between seismic performance of isolated structure and non-isolated structure has drawn. The results show that the wavelet analysis proves to be an efficient tool to evaluate the SSI effects on the seismic response of base-isolated structure and the seismic performance of base-isolated NPP is not sensitive to the effects in this case.
Takewaki, I.;Kanamori, M.;Yoshitomia, S.;Tsuji, M.
Earthquakes and Structures
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v.5
no.4
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pp.461-475
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2013
A new experimental system of base-isolated structures is proposed. There are two kinds of dampers usually used in the base-isolated buildings, one is a viscous-type damper and the other is an elastic-plastic hysteretic-type damper. The base-isolated structure with a viscous damper and that with an elastic-plastic hysteretic damper are compared in this paper. The viscous damper is modeled by a mini piston and the elastic-plastic hysteretic damper is modeled by a low yield-point steel. The capacity of both dampers is determined so that the dissipated energies are equivalent at a specified deformation. When the capacity of both dampers is determined according to this criterion, it is shown that the response of the base-isolated structure with the elastic-plastic hysteretic damper is larger than that with the viscous damper. This characteristic is demonstrated through the comparison of the bound of the aspect ratio. It is shown that the bound of aspect ratio for the base-isolated structure with the elastic-plastic hysteretic damper is generally smaller than that with the viscous damper. When the base-isolated structure is subjected to long-duration input, the mechanical property of the elastic-plastic hysteretic damper deteriorates and the response of the base-isolated structure including that damper becomes larger than that with the viscous damper. The effect of this change of material properties on the response of the base-isolated structure is also investigated.
Jean Paul Irakoze;Shujin Li;Wuchuan Pu;Patrice Nyangi;Amedee Sibomana
Earthquakes and Structures
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v.25
no.6
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pp.399-415
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2023
In this study, we investigate the use of a negative stiffness tuned inerter damper system to improve the performance of a base-isolated structure. The negative stiffness tuned inerter damper system consists of a tuned inerter damper connected in parallel with a negative stiffness element. To find the optimal parameters for the base-isolated structure with negative stiffness tuned inerter damper system, we develop an optimization method based on performance criteria. The objective of the optimization is to minimize the superstructure acceleration response ratio, while ensuring that the base displacement response ratio remains below a specified target value. We evaluate the proposed method by conducting numerical analyses on an eight-story building. The structure is modeled using both a simplified 3-degree-of-freedom system and a more detailed story-by-story shear-beam model. Lastly, a comparative analysis using time history analysis is performed to compare the performance of the base-isolated structure with negative stiffness tuned inerter damper system with that of the base-isolated structure and base-isolated structure with tuned inerter damper systems. The results obtained from the comparative analysis show that the negative stiffness tuned inerter damper system outperforms the tuned inerter damper system in reducing the dynamic seismic response of the base-isolated structure. Overall, this study demonstrates that the negative stiffness tuned inerter damper system can effectively enhance the performance of base-isolated structures, providing improved seismic response reduction compared to other systems.
The present study investigates the soil-structure interaction (SSI) effects on the seismic performance of smart base-isolated structures. The adopted control algorithm for tuning the control force plays a key role in successful implementation of such structures; however, in most studied carried out in the literature, these algorithms are designed without considering the SSI effect. Considering the SSI effects, a linear quadratic regulator (LQR) controller is employed to seismic control of a smart base-isolated structure. A particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to tune the gain matrix of the controller in both cases without and with SSI effects. In order to conduct a parametric study, three types of soil, three well-known earthquakes and a vast range of period of the superstructure are considered for assessment the SSI effects on seismic control process of the smart-base isolated structure. The adopted controller is able to make a significant reduction in base displacement. However, any attempt to decrease the maximum base displacement results in slight increasing in superstructure accelerations. The maximum and RMS base displacements of the smart base-isolated structures in the case of considering SSI effects are more than the corresponding responses in the case of ignoring SSI effects. Overall, it is also observed that the maximum and RMS base displacements of the structure are increased by increasing the natural period of the superstructure. Furthermore, it can be concluded that the maximum and RMS superstructure accelerations are significant influenced by the frequency content of earthquake excitations and the natural frequency of the superstructure. The results show that the design of the controller is very influenced by the SSI effects. In addition, the simulation results demonstrate that the ignoring the SSI effect provides an unfavorable control system, which may lead to decline in the seismic performance of the smart-base isolated structure including the SSI effects.
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.
Base isolation technology has been accepted as a feasible and attractive way in improving seismic resistance of structures. The seismic design of new seismically isolated structures is mainly governed by the Uniform Building Code (UBC-97) published by the International Conference of Building Officials. In the UBC code, the distribution formula of the inertial (or lateral) forces leads to an inverted triangular shape in the vertical direction. It has been found to be too conservative for most isolated structures through experimental, computational and real earthquake examinations. In this paper, four simple and reasonable design formulae, based on the first mode of the base-isolated structures, for the lateral force distribution on isolated structures have been validated by a multiple-bay three-story base-isolated steel structure tested on the shaking table. Moreover, to obtain more accurate results for base-isolated structures in which higher mode contributions are more likely expected during earthquakes, another four inertial force distribution formulae are also proposed to include higher mode effects. Besides the experimental verification through shaking table tests, the vertical distributions of peak accelerations computed by the proposed design formulae are in good agreement with the recorded floor accelerations of the USC University Hospital during the Northridge earthquake.
Farmanbordar, Babak;Adnan, Azlan Bin;Tahir, Mahmood Md.;Faridmehr, Iman
Advances in Computational Design
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v.2
no.3
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pp.211-223
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2017
This research presented a numerical and experimental study on the seismic performance of first-generation base-isolated and fixed-base nuclear power plants (NPP). Three types of the base isolation system were applied to rehabilitate the first-generation nuclear power plants: frictional pendulum (FP), high-damping rubber (HDR) and lead-rubber (LR) base isolation. Also, an Excel program was proposed for the design of the abovementioned base isolators in accordance with UBC 97 and the Japan Society of Base Isolation Regulation. The seismic assessment was performed using the pushover and nonlinear time history analysis methods in accordance with the FEMA 356 regulation. To validate the adequacy of the proposed design procedure, two small-scale NPPs were constructed at Universiti Teknologi Malaysia's structural laboratory and subjected to a pushover test for two different base conditions, fixed and HDR-isolated base. The results showed that base-isolated structures achieved adequate seismic performance compared with the fixed-base one, and all three isolators led to a significant reduction in the containment's tension, overturning moment and base shear.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.331-338
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2001
Seismic performances of the base isolated model of Five Story Stone Pagoda were studied through shaking table tests. Friction pendulum system (FPS), Pure-friction system with laminated rubber bearing (LRB) and Ball with rubber bearing were selected fur the comparison of performances. Performances of specially designed isolation systems were tested dynamically using shaking table. The test results of isolated model are compared with those of fixed base model. Compared with fixed base model, the isolated model showed that it could withstand much higer intensity of earthquake motion. The Effective Peak Ground Acceleration (EPGA) value of isolated model when the top component tipped over was above twice of that value in case of fixed base model. According to the additional test results, the lower value of coefficient of friction than that of common frictional base isolation systems is more effective to protect the piled multi-block system of Pagoda against moderate intesity of ground motion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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