Near-fault ground motions are characterized by high values of the ratio between the peak of vertical and horizontal ground accelerations, which can significantly affect the nonlinear response of a base-isolated structure. To check the effectiveness of different base-isolation systems for retrofitting a r.c. framed structure located in a near-fault area, a numerical investigation is carried out analyzing the nonlinear dynamic response of the fixed-base and isolated structures. For this purpose, a six-storey r.c. framed building is supposed to be retrofitted by insertion of an isolation system at the base for attaining performance levels imposed by current Italian code in a high-risk seismic zone. In particular, elastomeric (e.g., high-damping-laminated-rubber bearings, HDLRBs) and friction (e.g., steel-PTFE sliding bearings, SBs, or friction pendulum bearings, FPBs) isolators are considered, with reference to three cases of base isolation: HDLRBs acting alone (i.e., EBI structures); in-parallel combination of HDLRBs and SBs (i.e., EFBI structures); FPBs acting alone (i.e., FPBI structures). Different values of the stiffness ratio, defined as the ratio between the vertical and horizontal stiffnesses of the HDLRBs, sliding ratio, defined as the global sliding force divided by the maximum sliding force of the SBs, and in-plan distribution of friction coefficient for the FPs are investigated. The EBI, EFBI and FPBI base-isolation systems are designed assuming the same values of the fundamental vibration period and equivalent viscous damping ratio. The nonlinear dynamic analysis is carried out with reference to near-fault earthquakes, selected and scaled on the design hypotheses adopted for the test structures.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.12
no.2
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pp.35-42
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1992
The effectiveness of the support-isolation system for the equipment mounted on the primary structure is evaluated to reduce its responses under the earthquake load with considering the interaction between the primary structure and the internal equipment in this paper. A computer code (KBISAP) is developed to analyze the above system using the matrix condensation technique and constant average acceleration method. To evaluate the effectiveness of the support-isolation system, three systems are used in this study as follows: i) fixed-base structure with support-fixed equipment, ii) base-isolated structure with support-fixed equipment and iii) fixed-base structure with support-isolated equipment. The results of case study show that the acceleration of equipment with the support-isolation system is less than that of the support-fixed equipment in the base-isolated structure and significantly reduced the response compared with that of the support-fixed equipment in the fixed-base structure with the reduction factor of 8. The support-isolation system used in this study can reduce the response and also increase the safety margin of the important safety-related internal equipments.
As stated in Part(I), the use of the isolator is meant to protect a structure from seismic risk, by concentrating the inelastic deformations to relatively cheap and replaceable devices while the rest of the structures remains elastic. This research has been carried out to investigate the effects of various structural parameters and isolator characteristics on the seismic response of Base Isolated Bridges. Simplified analysis method for practical design is developed by using the results. The Proposed Code-Type approach method can be used to estimate the inertial forces accurately, not only at the isolator but throughout the height of the Base-Isolated Bridges. The proposed method is recommended to use in preliminary design tool or even a final design tool for Base Isolated Bridges. For the validation of simplified design method, examples with artificial earthquake time history and design response spectrum for P.C Box Bridge with bilinear hysteretic steel damper are evaluated.
The given paper presents a new approach in design of seismic isolation systems of base isolated buildings. The idea is to install not one big size rubber bearing under the columns and/or shear walls, or one by one with certain spacing under the load-bearing walls, but to install a group/cluster of small size bearings, in order to increase the overall effectiveness of the isolation system. The advantages of this approach are listed and illustrated by the examples. Also the results of analyses of some buildings where the approach on installation of clusters of rubber bearings was used in their isolation systems are given for two cases: i) when the analyses are carried out based on the provisions of the Armenian Seismic Code, and ii) when the time history analyses are carried out. Obtained results are compared and discussed. Paper also presents, as an example, detailed analysis and design of the 18-story unique building in one of the residential complexes in Yerevan. Earthquake response analyses of this building were carried out in two versions, i.e. when the building is base isolated and when it is fixed base. Several time histories were used in the analyses. Comparison of the obtained results indicates the high effectiveness of the proposed structural concepts of isolation systems and the need for further improvement of the Seismic Code provisions regarding the values of the reduction factors. A separate section in the paper dedicated to the design of high damping laminated rubber-steel bearings and to results of their tests.
In order to enhance the seismic performance of base-isolated structures on soft foundations, the hybrid system of base-isolated system (BIS) and shape memory alloy inerter (SMAI), referred to as BIS+SMAI, is for the first time here proposed. Considering the nonlinear hysteretic relationships of both the isolation layer and SMA, and soil-structure interaction (SSI), the equivalent linearized state space equation is established of the structure-BIS+SMAI system. The displacement variance based on the H2 norm is then formulated for the structure with BIS+SMAI. Employing the particle swarm optimization, the optimization design methodology of BIS+SMAI is presented in the frequency domain. The evolvement rules of BIS+SMAI in the effectiveness, robustness, SMA driving force, inertia force, stroke, and damping enhancement effect are revealed in the frequency domain through changing the inerter-mass ratio, structural height, aspect ratio, and relative stiffness ratio between the soil and structure. Meanwhile, the validation of BIS+SMAI is conducted using real earthquake records. Results demonstrate that BIS+SMAI can effectively reduce the isolation layer displacement. The inerter can significantly increase the hysteretic displacement of SMA and thus enhance its energy dissipation capacity, implying that BIS+SMAI has better effectiveness than BIS+SMA. Although BIS+SMAI and BIS+ tuned inerter damper (TID) have practically the same effectiveness, BIS+SMAI has the lower optimum damping, significantly smaller inertia force, and higher robustness to perturbations of the optimum parameters. Therefore, BIS+SMAI can be used as a more engineering realizable hybrid system for enhancing the performance of base-isolated structures in soft soil areas.
Design criteria, modeling rules, and analysis principles of seismic isolation systems have already found place in important building codes and standards such as the Uniform Building Code and ASCE/SEI 7-05. Although real behaviors of isolation systems composed of high damping or lead rubber bearings are nonlinear, equivalent linear models can be obtained using effective stiffness and damping which makes use of linear seismic analysis methods for seismic-isolated buildings possible. However, equivalent linear modeling and analysis may lead to errors in seismic response terms of multi-story buildings and thus need to be assessed comprehensively. This study investigates the accuracy of equivalent linear modeling via numerical experiments conducted on generic five-story three dimensional seismic-isolated buildings. A wide range of nonlinear isolation systems with different characteristics and their equivalent linear counterparts are subjected to historical earthquakes and isolation system displacements, top floor accelerations, story drifts, base shears, and torsional base moments are compared. Relations between the accuracy of the estimates of peak structural responses from equivalent linear models and typical characteristics of nonlinear isolation systems including effective period, rigid-body mode period, effective viscous damping ratio, and post-yield to pre-yield stiffness ratio are established. Influence of biaxial interaction and plan eccentricity are also examined.
The enlargement of interest in base isolators as an earthquake-proof design strategy has dramatically accelerated experimental studies of elastomeric bearings worldwide. In this paper, a new base isolator concept that is a hybrid system of rubber bearings is proposed. Uniaxial, biaxial, and triaxial shaking table tests are also performed to study the seismic behavior of a 0.4-scale three-story isolated steel structure in the National Center for Research on Earthquake Engineering in Taiwan. Experimental results demonstrate that structures with a hybrid system of rubber bearings composed of stirruped rubber bearings and laminated rubber bearings can actually decrease the seismic responses of the superstructure. It has been proved through the shaking table tests that the proposed hybrid system of rubber bearings is a very promising tool to enhance the seismic resistance of structures. Moreover, it is demonstrated that the proposed analytical model in this paper can predict the mechanical behavior of the hybrid system of rubber bearings and seismic responses of the base-isolated structures.
The design of seismically isolated structures considering the stochastic nature of excitations, base isolators' design parameters, and superstructure properties requires robust reliability analysis methods to calculate the failure probability of the entire system. Here, by applying artificial neural networks, we proposed a robust technique to accelerate the estimation of failure probability of equipped isolated structures. A three-story isolated building with susceptible facilities is considered as the analytical model to evaluate our technique. First, we employed a sensitivity analysis method to identify the critical sources of uncertainty. Next, we calculated the probability of failure for a particular set of random variables, performing Monte Carlo simulations based on the dynamic nonlinear time-history analysis. Finally, using a set of designed neural networks as a surrogate model for the structural analysis, we assessed once again the probability of the failure. Comparing the obtained results demonstrates that the surrogate model can attain precise estimations of the probability of failure. Moreover, our proposed approach significantly increases the computational efficiency corresponding to the dynamic time-history analysis of the structure.
Due to the severe impacts of recent earthquakes, the use of seismic isolation is paramount for the safety of nuclear structures. The diversity observed in seismic events demands ongoing research to analyze the devastating attributes involved, and hence to enhance the sustainability of base-isolated nuclear power plants. This study reports the seismic performance of a seismically-isolated nuclear reactor containment building (NRCB) under strong short-period ground motions (SPGMs) and long-period ground motions (LPGMs). The United States Nuclear Regulatory Commission-based design response spectrum for the seismic design of nuclear power plants is stipulated as the reference spectrum for ground motion selection. Within the period range(s) of interest, the spectral matching of selected records with the target spectrum is ensured using the spectral-compatibility approach. NRC-compliant SPGMs and LPGMs from the mega-thrust Tohoku earthquake are used to obtain the structural response of the base-isolated NRCB. To account for the lack of earthquakes in low-to-moderate seismicity zones and the gap in the artificial synthesis of long-period records, wavelet-decomposition based autoregressive moving average modeling for artificial generation of real ground motions is performed. Based on analysis results from real and simulated SPGMs versus LPGMs, the performance of NRCBs is discussed with suggestions for future research and seismic provisions.
The current paper investigates the effect of the seismic pounding of neighboring buildings on the response of structures isolated by Triple Friction Pendulum Bearing (TFPB). To this end, a symmetric three-dimensional single story building is modeled for analysis with two specified levels of top deck and base deck, to capture the seismic response of the base isolators and building's roof. Linear elastic springs with different level of gaps are employed to calculate the impact between the buildings. Nonlinear Dynamic Time History Analyses (NDTHA) are conducted for seismic evaluation. Also, five different sizes with four different sets of friction coefficients are assumed for base isolators to cover a whole range of base isolation systems with various geometry configurations and fundamental period. The results are investigated in terms of base shear, buildings' drift and top deck acceleration of the superstructure. The results also indicate the profound effect of the stiffness of the adjacent buildings on the value of the impact they impose to the superstructure. Also, in situations of potential pounding, the increment of the fundamental period of the TFPB base isolator could intensify the impact force up to nearly five-fold.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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