Passive energy dissipation systems for seismic applications have been under development for a number of years with a rapid increase in implementations starting in the mid-1990s in many countries. A metallic hysteretic damper has most commonly been used for seismic protection of structures in domestic area because they present high energy-dissipation potential at relatively low cost and easy to install and maintain. This paper presents an analytical case study of the effectiveness of isotropic hysteretic metallic damper(IHMD) called Kagome as a passive dissipative device in reducing structural response during seismic excitation. An eighteen-story RC framed apartment building is studied with and without IHMD. Results demonstrate the feasibility of these techniques for seismic mitigation. The inclusion of supplemental passive energy dissipation devices in the form of IHMD proved to be a very effective method for significantly reducing the seismic response of the building investigated.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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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.
The use of high-strength steels in construction of highrise and mega building structures can bring about many technological advantages from fabrication to erection. However, key design criteria such as local and lateral stability in current steel design specifications were developed based on tests of ordinary steels which have stress-strain characteristics very different from that of high strength steels. A series of tests on 800 MPa tensile strength steel (HSA800) members are summarized in this paper which were conducted to investigate the appropriateness of extrapolating current ordinary-steel based design criteria to high strength steels. 800 MPa I-shape beam specimens designed according to flange local buckling (FLB) criteria of the AISC Specification developed a sufficient strength for elastic design and a marginal rotation capacity for plastic design. It is shown that, without introducing distinct and significant yield plateau to the stress-strain property of high-strength steel, it is inherently difficult to achieve a high rotation capacity even if all the current stability limits are met. 800 MPa I-shape beam specimens with both low and high warping rigidity exhibited sufficient lateral torsional buckling (LTB) strength. HSA800 short-column specimens with various edge restraint exhibited sufficient local buckling strength under uniform compression and generally outperformed ordinary steel specimens. The experimental P-M strength was much higher than the AISC nominal P-M strength. The measured residual stresses indicated that the impact of residual stress on inelastic buckling of high-strength steel is less. Cyclic seismic test results showed that HSA800 members have the potential to be used as non-ductile members or members with limited ductility demand in seismic load resisting systems. Finally, recent applications of 800 MPa high strength steel to highrise and mega building structures in Korea are briefly presented.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.2
s.54
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pp.39-45
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2007
In this study the probability and the reliability-based seismic performance evaluation procedure proposed in the FEMA-355F was applied to a reinforced concrete moment frame building. For the FEMA procedure, which was originally developed for steel moment frame structures, to be applied to other structural systems, the capacity should be re-defined and the factors reflecting the uncertainties related to capacity and demand need to be determined. To perform the evaluation procedure a prototype building was designed per IBC 2003, and inelastic dynamic analyses were conducted applying site-specific ground motions to determine the parameters for performance evaluation. According to the analysis results, distribution of the determined capacities turned out to be relative]y smaller than that of the demands, which showed that the defined capacity was reasonable. It was also shown that the prototype building satisfied the target performance since the determined confidence levels exceeded the otjectives for both local and global collapses.
The tuned mass damper (TMD) system was first proposed as an efficient vibration control method for high-rise buildings, and multiple TMD (MTMD) system was then proposed for the purpose of improving the robust performance. Thereafter, the active TMD (ATMD) is proposed to improve the vibration control performance over the TMD and MTMD systems. However, this system may experience an system-instability problem in case of the actuator malfunction. In order to overcome such limitations of actuator malfunction causing the instability of the structural system, in this study, we investigate the feasibility of the multiple ATMD (MATMD) system that facilitates both advantages of the MTMD and ATMD. Numerical example demonstrates that, when the proposed system is designed to have the same capacity as the ATMD, it shows a similar control performance to the ATMD, but also has very good adaptive control performance against the emergency situations such as actuator failures.
Khatami, Alireza;Heshmati, Mahdi;Aghakouchak, Ali Akbar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.3
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pp.197-214
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2020
Diagrid structures have been introduced as a fairly modern lateral load-resisting system in the design of high-rise buildings. In this paper, a novel diagrid system called tube-in-tube diagrid building is introduced and assessed through pushover and incremental dynamic analyses. The main objectives of this paper are to find the optimum angle of interior and exterior diagrid tube and evaluate the efficiency of diagrid core on the probability of collapse comparing to the conventional diagrid system. Finally, the seismic performance factors of the proposed system are validated according to the FEMA P695 methodology. To achieve these, 36-story diagrid buildings with various external and internal diagonal angles are designed and then 3-D nonlinear models of these structures developed in PERFORM-3D. The results show that weight of steel material highly depends on diagonal angle of exterior tube. Adding diagrid core generally increases the over-strength factor and collapse margin ratio of tall diagrid buildings confirming high seismic safety margin for tube-in-tube diagrid buildings under severe excitations. Collapse probabilities of both structural systems under MCE records are less than 10%. Finally, response modification factor of 3.0 and over-strength factor of 2.0 and 2.5 are proposed for design of typical diagrid and tube-in-tube diagrid buildings, respectively.
Tuned mass dampers (TMDs) have been installed in many high-rise buildings, to improve their resiliency under dynamic loads. However, high-rise buildings may experience natural frequency changes under ambient temperature fluctuations, extreme wind loads and relative humidity variations. This makes the design of a TMD challenging and may lead to a detuned scenario, which can reduce significantly the performance. To alleviate this problem, the current paper presents a proposed approach for the design of a robust and efficient TMD. The approach accounts for the uncertain natural frequency, the optimization objective and the input excitation. The study shows that robust design parameters can be different from the optimal parameters. Nevertheless, predetermined optimal parameters are useful to attain design robustness. A case study of a high-rise building is executed. The TMD designed with the proposed approach showed its robustness and effectiveness in reducing the responses of high-rise buildings under multidirectional wind. The case study represents an engineered design that is instructive. The results show that shear buildings may be controlled with less effort than cantilever buildings. Structural control performance in high-rise buildings may depend on the shape of the building, hence the flow patterns, as well as the wind direction angle. To further increase the performance of the robust TMD in one lateral direction, active control using LQG and fuzzy logic controllers was carried out. The performance of the controllers is remarkable in enhancing the response reduction. In addition, the fuzzy logic controller may be more robust than the LQG controller.
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.
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.
The accelerated development of new materials, technologies and construction processes, in parallel with advances in computational algorithms and ever growing computational power, is leading to more daring and innovative architectural and structural designs. The search for non-regular building shapes and slender structures, as alternative to the traditional architectural forms that have been prevailing in the building sector, poses important engineering challenges in the assessment of the strength and mechanical stability of non-conventional structures and systems, namely against highly variable actions as wind and seismic forces. In case of complex structures, laboratory experiments are a widely used methodology for strength assessment and loading characterization. Nevertheless, powerful numerical tools providing reliable results are also available today and able to compete with the experimental approach. In this paper the wind action on a free-form complex thin shell is investigated through 3D-CFD simulation in terms of the pressure coefficients and global forces generated. All the modelling aspects and calibrating process are described. The results obtained showed that the CFD technique is effective in the study of the wind effects on complex-shaped structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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