A method of smart system identification of super high-rise buildings is proposed in which super high-rise buildings are modeled by a shear-bending system. The method is aimed at finding the story shear and bending stiffnesses of a specific story only from the horizontal floor accelerations. The proposed method uses a set of closed-form expressions for the story shear and bending stiffnesses in terms of the limited floor accelerations and utilizes a reduced shear-bending system with the same number of elements as the observation points. A difficulty of prediction of an unstable specific function in a low frequency range can be overcome by introducing an ARX model and discussing its relation with the Taylor series expansion coefficients of a transfer function. It is demonstrated that the shear-bending system can simulate the vibration records with a reasonable accuracy. It is also shown that the vibration records at two super high-rise buildings during the 2011 Tohoku (Japan) earthquake can be simulated with the proposed method including a technique of inserting degrees of freedom between the vibration recording points. Finally it is discussed further that the time-varying identification of fundamental natural period and stiffnesses can be conducted by setting an appropriate duration of evaluation in the batch least-squares method.
Omika, Yukihiro;Koshika, Norihide;Yamamoto, Yukimasa;Kawano, Kenichi;Shimizu, Kan
International Journal of High-Rise Buildings
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v.5
no.1
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pp.43-50
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2016
The reinforced-concrete multi-story shear-wall structure, which can free a building from beams and columns to allow the planning of a vast room, has increasingly been used in Japan as a high-rise reinforced-concrete structure. Since this structural system concentrates the seismic force onto multi-story shear walls inside, the bending deformation of the walls may cause excessive deformation on the upper floors during an earthquake. However, it is possible to control the bending deformation to within a certain level by setting high-strength and rigid beams (outriggers) at the top of the multi-story shear walls; these outriggers restrain the bending behavior of the walls. Moreover, it is possible to achieve high energy dissipation by placing vibration control devices on the outriggers and thus restrain the bending behavior. This paper outlines the earthquake response analysis of a high-rise residential tower to demonstrate the effectiveness of the outrigger frame incorporating vibration control devices.
For vibration control of civil structures, especially large civil structures, one of the important issues is how to place a minimal number of actuators and sensors at their respective optimal locations to achieve the predetermined control performance. In this paper, a methodology is presented for the determination of the minimal number and optimal location of actuators and sensors for vibration control of building structures under earthquake excitation. In the proposed methodology, the number and location of the actuators are first determined in terms of the sequence of performance index increments and the predetermined control performance. A multi-scale response reconstruction method is then extended to the controlled building structure for the determination of the minimal number and optimal placement of sensors with the objective that the reconstructed structural responses can be used as feedbacks for the vibration control while the predetermined control performance can be maintained. The feasibility and accuracy of the proposed methodology are finally investigated numerically through a 20-story shear building structure under the El-Centro ground excitation and the Kobe ground excitation. The numerical results show that with the limited number of sensors and actuators at their optimal locations, the predetermined control performance of the building structure can be achieved.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.2
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pp.57-68
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1998
For free vibration of monosymmetric thin-walled circular arches including restrained warping effect, the elastic strain and kinetic energy is derived by introducing displacement fields of circular arches in which all displacement parameters are defined at the centroid axis. The cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions for development of the curved thin-walled beam element having eight degrees of freedom. Analytical solution for free vibration behaviors of simply supported thin-walled curved beam element is presented by evaluating elastic stiffness and mass matrices. In order to illustrate the accuracy and practical usefulness of this study, analytical and numerical solutions for free vibration of circular arches are presented and compared with solutions analyzed by the FEM using straight beam element.
The objective of this research is to observe the actual response of a low-rise nonseismic moment-resisting masonry-infilled reinforced concrete frame subjected to varied levels of earthquake ground motions. The reduction scale for the model was determined as 1 : 5 considering the capacity of the shaking table to be used. This model was, then, subjected to the shaking table motions simulating Taft N2IE component earthquake ground motion, whose peak ground acceleration(PGA) was modified to 0.12g, 0.2g, 0.3g, and 0.4g. The g1oba1 behavior and failure mode were observed. The lateral accelerations and displacements at each story and local deformations at the critical portions of the structure were measured. Before and after each earthquake simulation test, free vibration tests and white noise tests were performed to find the changes in the natural period of the model. When the results of the masonry-infilled frame are compared with those of the bare frame, it can be recognized that masonry infills contribute to the large increase in the stiffness and strength of the g1oba1 structure whereas it also accompanies the increase of earthquake inertia forces. However, it is judged that masonry infills may be beneficial to the performance of the structure since the rate of increase in strength appears to be greater than that of the induced earthquake inertia forces.
This paper examines whether the "effective period" of bilinear isolation systems, as defined invariably in most current design codes, expresses in reality the period of vibration that appears in the horizontal axis of the design response spectrum. Starting with the free vibration response, the study proceeds with a comprehensive parametric analysis of the forced vibration response of a wide collection of bilinear isolation systems subjected to pulse and seismic excitations. The study employs Fourier and Wavelet analysis together with a powerful time domain identification method for linear systems known as the Prediction Error Method. When the response history of the bilinear system exhibits a coherent oscillatory trace with a narrow frequency band as in the case of free vibration or forced vibration response from most pulselike excitations, the paper shows that the "effective period" = $T_{eff}$ of the bilinear isolation system is a dependable estimate of its vibration period; nevertheless, the period associated with the second slope of the bilinear system = $T_2$ is an even better approximation regardless the value of the dimensionless strength,$Q/(K_2u_y)=1/{\alpha}-1$, of the system. As the frequency content of the excitation widens and the intensity of the acceleration response history fluctuates more randomly, the paper reveals that the computed vibration period of the systems exhibits appreciably scattering from the computed mean value. This suggests that for several earthquake excitations the mild nonlinearities of the bilinear isolation system dominate the response and the expectation of the design codes to identify a "linear" vibration period has a marginal engineering merit.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.6
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pp.9-15
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2003
This paper describes a vibration control by using tuned mass damper(i.e., TMD) for an existing footbridge. The footbridge is the simple steel box girder bridge with main span length of 47.7m. This bridge has light weight, low damping and the 1st bending frequency of 1.84㎐. Its frequency is close to a walking cycle, which is 2㎐. Therefore the uncomfortable resonant vibrations due to a pedestrian walking have occurred frequently. The vibration control by means of TMD for suppressing the pedestrian induced vibration was conducted. Taking into account economical benefits and the easiness of installation, a compact TMD installed within a handrail was designed. From field tests of the TMD, it was confirmed that the structural damping of the bridge via. the compact TMD was enhanced by 13 times and the resonant vibration due to pedestrian walking was suppressed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.1
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pp.51-56
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1997
The objective of this study is to review the current state of earthquake simulation tecniques using the shaking table and check the reliability. One degree-of-freedom(d.o.f) and three d.o.f aluminium shear models were used and $4m{\times}4m$ 6 d.o.f shaking table was excitated in one horizontal direction to simulate 1940 El centro earthquake accelerogram (NS component). When the actual acceleration history of shaking table is compared to the desired one, it can be found that the overall histories are very similar, but that the lower frequency range (0~2 Hz) of the actual excitation has generally lower amplitude than that of the desired in Fourier transform amplitude. Free vibration and white noise tests have shown almost the some values for natural frequencies, but shown quite different values for damping rations, that is, 1.37% in case of free vibration test vs 14.76 % in case of white noise test. The time histories of story shear driff show the globally linear elastic behaviors. But the elliptical shape of the histories with one of the axis being the stiffness of the story implies the effect of viscous damping.
The seismic safety of reinforced concrete containment building can be evaluated by probabilistic analysis considering randomness of earthquake, which is more rational than deterministic analysis. In the safety assessment of earthquake-resistant structures by the deterministic theory, it is not easy to consider the effects of random variables but the reliability theory and random vibration theory are useful to assess the seismic safety with considering random effects. The reliability assessment of reinforced concrete containment building subjected to earthquake load includes the structural analysis considering random variables such as load, resistance and analysis method, the definition of limit states and the reliability analysis. The reliability analysis procedure requires much time and labor and also needs to get the high confidence in results. In this study, random vibration analysis of containment building is performed with random variables as earthquake load, concrete compressive strength, modal damping ratio. The seismic responses of critical elements of structure are approximated at the most probable failure point by the response surface method. The response surface method helps to figure out the quantitative characteristics of structural response variability. And the limit state is defined as the failure surface of concrete under multi-axial stress, finally the limit state probability of failure can be obtained simply by first-order second moment method. The reliability analysis for the multiaxial strength limit state and the uniaxial strength limit state is performed and the results are compared with each other. This study concludes that the multiaxial failure criterion is a likely limit state to predict concrete failure strength under combined state of stresses and the reliability analysis results are compatible with the fact that the maximum compressive strength of concrete under biaxial compression state increases.
In 2017, an intraplate earthquake of Mw 7.1 occurred 120 km from Mexico City (CDMX). Most collapsed structural buildings stroked by the earthquake were flat slab systems joined to reinforced concrete (RC) columns, unreinforced masonry, confined masonry, and dual systems. This article presents the simulated response of an actual six-story RC frame building with masonry infill walls that did not collapse during the 2017 earthquake. It has a structural system similar to that of many of the collapsed buildings and is located in a high seismic amplification zone. Five 3D numerical models were used in the study to model the seismic response of the building. The building dynamic properties were identified using an ambient vibration test (AVT), enabling validation of the building's finite element models. Several assumptions were made to calibrate the numerical model to the properties identified from the AVT, such as the presence of adjacent buildings, variations in masonry properties, soil-foundation-structure interaction, and the contribution of non-structural elements. The results showed that the infill masonry wall would act as a compression strut and crack along the transverse direction because the shear stresses in the original model (0.85 MPa) exceeded the shear strength (0.38 MPa). In compression, the strut presents lower stresses (3.42 MPa) well below its capacity (6.8 MPa). Although the non-structural elements were not considered to be part of the lateral resistant system, the results showed that these elements could contribute by resisting part of the base shear force, reaching a force of 82 kN.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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