Semi-active control systems have attracted a great deal of attention in recent years because these systems can operate on battery power alone, proving advantageous during seismic events when the main power source of the structure may likely fail. The behavior of semi-active devices is often highly non-linear and requires suitable and efficient control algorithm. This paper presents the comparative study and performance of variable semi-active friction dampers by using recently proposed predictive control law with direct output feedback. In this control law, the variable slip force of semi-active variable friction damper is kept slightly lower than the critical friction force, which allows the damper to remain in the slip state during an earthquake, resulting in improved energy dissipation capability. This control algorithm is able to produce a continuous and smooth slip forces for a variable friction damper. The numerical examples include a structure controlled with multiple variable semi-active friction dampers and with multiple passive friction dampers. A parameter, gain multiplier defined as the ratio of damper force to critical damper control force, is investigated under four different real earthquake ground motions, which plays an important role in the present control algorithm of the damper. The numerically evaluated optimum parametric value is considered for the analysis of the structure with dampers. The numerical results of the variable friction dampers show better performance over the passive dampers in reducing the seismic response of structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.639-644
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2007
The accurate peak response estimation of a seismically excited structure with frictional damping system(FDS) is very difficult since the structure with FDS shows nonlinear behavior dependent on the structural period, loading characteristics, and relative magnitude between the frictional force and the excitation load. Previous studies have estimated that by replacing a nonlinear system with an equivalent linear one or by employing the response spectrum obtained based on nonlinear time history and statistical analysis. In the case that on earthquake load is defined with probabilistic characteristics, the corresponding response of the structure with FDS has probabilistic distribution. In this study, nonlinear time history analyses were performed for the structure with FDS subjected to artificial earthquake loads generated using Kanai-Tajimi filter. An equation for the probability density function (PDF) of the displacement response is proposed by adapting the PDF of the normal distribution. Finally, coefficients of the proposed PDF is obtained by regression analysis of the statistical distribution of the time history responses. Finally, the correlation between PDFs and statistical response distribution is presented.
The effect of galleries on the earthquake behavior of dams should be investigated to obtain more realistic results. Therefore, a roller compacted concrete (RCC) dam with and without galleries are examined under ground motion effects. For this purpose, Cine RCC dam constructed in Aydın, Turkey, is selected in applications. The optimal mesh around galleries is investigated to obtain the most realistic results. Two-dimensional finite element models of Cine RCC dam with and without galleries are prepared by using ANSYS software. Empty and full reservoir conditions were taken into account in the time-history analyses. Hydrodynamic effect of the reservoir water was taken into account considering two-dimensional fluid finite elements based on the Lagrangian approach. It is examined that how principle stresses and displacements change by height and during earthquake. The dam-foundation-reservoir interaction was taken into consideration with contact-target element pairs. The displacements and principle stress components obtained from the linear analyses are compared each other for various cases of reservoir water and galleries. According to numerical analyses, the effect of galleries is clear on the response of RCC dam. Besides, hydrodynamic water effect obviously increases the principle stress components and horizontal displacements of the dam.
In this paper, a comprehensive investigation of the dynamic response of a long-bridge subjected to spatially varying earthquake ground motions (SVEGM) is performed based on a proposed analytical model which includes the effect of soil-structure interaction (SSI). The spatial variability of ground motions is simulated by the powerful record generator, SIMQKE II. Modeling of the SSI in the system is simplified by replacing the pile foundations and soil with sets of independent equivalent linear springs and dashpots along the pile groups. One of the most fundamental objectives of this study is to examine how well the proposed model simulates the dynamic response of a bridge system. For this purpose, the baseline data required for the evaluation process is derived from analyzing a 3D numerical model of the bridge system which is validated in this paper. To emphasize the importance of the SVEGM and SSI, bridge responses are also determined for the uniform ground motion and fixed base cases. This study proposing a compatible analytical model concerns the relative importance of the SSI and SVEGM and shows that these effects cannot be neglected in the seismic analysis of long-bridges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.2
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pp.95-103
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2022
In order to evaluate the earthquake safety of equipment in structures, it is essential to analyze the In-Structure Response Spectrum (ISRS). The ISRS has a peak value at the frequency corresponding to the structural vibration mode, but the frequency and amplitude at the peak can vary because of many uncertain parameters. There are several seismic design criteria for ISRS peak-broadening for fixed base structures. However, there are no suggested criteria for constructing the design ISRS of seismically isolated structures. The ISRS of isolated structures may change due to the major uncertainty parameter of the isolator, which is the shear stiffness of the isolator and the several uncertainty parameters caused by the nonlinear behavior of isolators. This study evaluated the effects on the ISRS due to the initial stiffness of the bi-linear curve of isolators and the variation of effective stiffness by the input ground motion intensity and intense motion duration. Analyzing a simplified structural model for isolated base structure confirmed that the ISRS at the frequency of structural mode was amplified and shifted. It was found that the uncertainty of the initial stiffness of isolators significantly affects the shape of ISRS. The variation caused by the intensity and duration of input ground motions was also evaluated. These results suggested several considerations for generating ISRS for seismically isolated structures.
Park, Jin-Young;Han, Sang Whan;Moon, Ki-Hoon;Lee, Kang Seok;Kim, Hyung-Joon
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.5
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pp.227-235
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2013
Friction energy dissipative devices have been increasingly implemented as structural seismic damage protecting systems due to their excellent seismic energy dissipating capacity and high stiffness. This study develops rotational friction energy dissipative devices and verifies experimentally their cyclic response. Based on the understanding of the differences between the traditional linear-motion friction behavior and the rotational friction behavior, the configuration of the frictional surface was determined by investigating the characteristics of the micro-friction behavior. The friction surface suggested in this paper consists of brake-lining pads and stainless steel sheets and is normally stressed by high-strength bolts. Based upon these frictional characteristics of the selected interface, the rotational friction energy dissipative devices were developed. Bolt torque-bearing force tests, rotational friction tests of the suggested friction interfaces were carried out to identify their frictional behavior. Test results show that the bearing force is almost linearly proportional to the applied bolt torque and presents stable cyclic response regardless of the experimental parameters selected this testing program. Finally, cyclic tests of the rotational friction energy dissipative devices were performed to find out their structural characteristics and to confirm their stable cyclic response. The developed friction energy dissipative devices present very stable cyclic response and meet the requirements for displacement-dependent energy dissipative devices prescribed in ASCE/SEI 7-10.
The objective of the research stated herein is to observe the actual responses of a low-rise nonseismic moment-resisting reinforced concrete frame subjected to varied levels of earthquake ground motions. First, the reduction scale for the model was determined as 1 : 5 considering the capacity of the shaking table to be used and the model was manufactured according to the similitude law. This model was, then, subjected to the shaking table motions simulating Taft N21E component earthquake ground motions, whose peak ground accelations (PGAs) were modified to 0.12g, 0.2g, 0.3g, and 0.4g. The lateral accelerations and displacements at each story and local deformations at the critical reginos of the structure were measured. The base shear was measured by using self-made load cells. Before and after each earthquake simulation test, free vibration tests were performed to find the change in the natural period and damping ratio of the model. The test data on the global and local behaviors are interpreted. The model showed the linear elastic behavior under the Taft N21E motion with the PGA if 0.12g, which represents the design earthquake in Korea. The maximum base shear was 1.8tf, approximately 4.7 times the design base shear. The model revealed fairly good resistance to the higher level of earthquake simulation tests. The main components of its resistance to the high level of earthquakes appeared to be 1) the high overstrength, 2) the elongation of the fundamental period, and 3) the minor energy dissipation by inelastic deformations. The drifts of the model under these tests were approximately within the allowable limit.
With verifications through many relevant researches in the past few decades, adopting the equivalent lateral force procedure for designing seismically isolated structures as a preliminary or even final design approach has become considerably mature and publicly acceptable, especially for seismic isolation systems that mechanically exhibit bilinear hysteretic behavior. During the design procedure, in addition to a given seismic demand, structural designers still need to previously determine three parameters, such as mechanical properties of seismic isolation systems or design parameters and performance indices of seismically isolated structures. However, an arbitrary or improper selection of given parameters might cause diverse or even unacceptable design results, thus troubling structural designers very much. In this study, first, based on the criterion that at least either two design parameters or two performance indices of seismically isolated structures are decided previously, the rationality and applicability of design results obtained from different conditions are examined. Moreover, to consider variations of design parameters of seismically isolated structures attributed to uncertainties of mechanical properties of seismic isolation systems, one of the conditions is adopted to perform bounding analysis for seismic isolation design. The analysis results indicate that with a reasonable equivalent damping ratio designed, considering a specific variation for two design parameters (the effective stiffness and equivalent damping ratio) could present more conservative bounding design results (in terms of isolation displacement and acceleration transmissibility) than considering the same variation but for two mechanical properties (the characteristic strength and post-yield stiffness).
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.2
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pp.19-25
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2004
The linear analysis for the balance of linear momentum of a structure is relatively easy to perform, but the error becomes large when the structure experiences large deformation. Therefore, the material and geometric nonlinearity need to be considered for the precise calculations in that case. The plastic flow of a ductile steel-like metal mainly transforms its dissipated mechanical energy into heat, which transfers under the first and second law of thermodynamics. This heat increases the temperature of the material and the strength of the material decreases accordingly, which affects mechanical behavior of the given structure. This paper presents a finite-strain thermo-elasto-plastic steel model. This model can handle large deformation and thermal load simultaneously, which is common during earthquake periods. Two 3-dimensional finite element analyses verify this formulation.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.13
no.1
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pp.35-43
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2009
Two types of piloti-type high-rise RC building structures having irregularity in the lower two stories were selected as prototypes, and nonlinear time history analysis was performed using OpenSees to verify the analysis technique and to investigate the seismic capacity of those buildings. One of the buildings studied had a symmetrical moment-resisting frame (BF), while the other had an infilled shear wall in only one of the exterior frames (ESW). A fiber model, consisting of concrete and reinforcing bar represented from the stress-strain relationship, was adapted and used to simulate the nonlinearity of members, and MVLEM (Multi Vertical Linear Element Model) was used to simulate the behavior of the wall. The analytical results simulate the behavior of piloti-type high-rise RC building structures well, including the stiffness and yield force of piloti stories, the rocking behavior of the upper structure and the variation of the axial stiffness of the column due to variation in loading condition. However, MVLEM has a limitation in simulating the abrupt increasing lateral stiffness of a wall, due to the torsional mode behavior of the building. The design force obtained from a nonlinear time history analysis was shown to be about $20{\sim}30%$ smaller than that obtained in the experiment. For this reason, further research is required to match the analytical results with real structures, in order to use nonlinear time history analysis in designing a piloti-type high-rise RC building.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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