The study aims to investigate the pounding that occurs between the isolator's ring and slider of isolated structures resulting from excessive seismic excitation, while considering soil-structure interaction. The dynamic responses and poundings of structures subjected a series seismic records were comparatively analyzed for three different soil types and fixed-base structures. A series of parametric studies were conducted to thoroughly discuss the effects of the impact displacement ratio, the FPB friction coefficient ratio, and the radius ratio on the structural dynamic response when considering impact and SSI. It was found that the pounding is extremely brief, with an exceptionally large pounding force generated by impact, resulting in significant acceleration pulse. The acceleration and inter-story shear force of the structure experiencing pounding were greater than those without considering pounding. Sudden changes in the inter-story shear force between the first and second floors of the structure were also observed. The dynamic response of structures in soft ground was significantly lower than that of structures in other ground conditions under the same conditions, regardless of the earthquake wave exciting the structure. When the structure is influenced by pulse-type earthquake records, its dynamic response exhibits a trend of first intensifying and then weakening as the equivalent radius ratio and friction coefficient ratio increase. However, it increases with an increase in the pounding displacement ratio, equivalent radius ratio, friction coefficient ratio, and displacement ratio when the structures are subjected to non-pulse-type seismic record.
Dynamic responses of a bridge system with several simple spans under longitudinal seismic excitations are examined. The bridge system is modeled as the multiple oscillators and each oscillator consists of four degrees-of-freedom system to implement the poundings between the adjacent oscillators and the friction at movable supports. Pounding effects are considered by introducing the impact elements and a bi-linear model is adopted for the friction force. From the parametric studies, the pounding is found to induce complicated seismic responses and to restrain significantly the relative displacements between the adjacent units. The smaller gap size also restricts more strictly the relative displacement. It is found that the relative displacements between the abutment and adjacent pier unit became much larger than the responses between the inner pier units. Consequently, the unseating failure could take a place between the abutment and nearby pier units. It is also found that the relative displacements of an abutment unit to the adjacent pier unit are governed by the pounding at the opposite side abutment.
This study investigates a new optimal placement method for viscous dampers between structures in order to prevent pounding of adjacent structures with different dynamic characteristics under earthquake effects. A relative displacement spectrum is developed in two single degree of freedom system to reveal the critical period ratios for the most risky scenario of collision using El Centro earthquake record (NS). Three different types of viscous damper design, which are classical, stair and X-diagonal model, are considered to prevent pounding on two adjacent building models. The objective function is minimized under the upper and lower limits of the damping coefficient of the damper and a target modal damping ratio. A new algorithm including time history analyses and numerical optimization methods is proposed to find the optimal dampers placement. The proposed design method is tested on two 12-storey adjacent building models. The effects of the type of damper placement on structural models, the critical period ratios of adjacent structures, the permissible relative displacement limit, the mode behavior and the upper limit of damper are investigated in detail. The results of the analyzes show that the proposed method can be used as an effective means of finding the optimum amount and location of the dampers and eliminating the risk of pounding.
Multiple pounding tuned rolling mass damper (MPTRMD) distributed in the cavity of voided slabs is proposed to passively control multi-story frame structures, which disperses the mass of the oscillator to multiple dampers so that the control device can be miniaturized without affecting the vibration control performance. The mechanism and the differential motion equations of the MPTRMD-controlled multi-degree-of-freedom system are derived based on the Lagrange principle. Afterward, this advanced RMD is applied to a simplified 20-floor steel frame to evaluate the seismic control performance in the numerical analysis. A four-storey frame structure equipped with MPTRMD is then taken for a shaking table test to verify its effectiveness of control performance. The pounding mechanism has been detailed studied numerically and experimentally as well. The numerical and experimental results show that the proposed damper is practically promising not only for its prominent control performance but also for its lightweight and space-saving. Additionally, the pounding mechanism influenced by the variable impact parameters exhibits a balance between the two effects of motional limitations and energy dissipation.
Raheem, Shehata E Abdel;Alazrak, Tarek M.A.;AbdelShafy, Aly G.A.;Ahmed, Mohamed M.;Gamal, Yasser A.S.
Earthquakes and Structures
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v.20
no.1
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pp.55-70
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2021
In urban cities, buildings were built in the neighborhood, these buildings influence each other through structure-soilstructure interaction (SSSI) and seismic pounding due to limited separation distance in-between. Generally, the effects of the interaction between soil and structure are disregarded during seismic design and analysis of superstructure. However, the system of soil-base adversely changes structural behavior and response demands. Thus, the vibration characteristics plus the seismic response of a building are not able to be independent of those in adjacent buildings. The interaction between structure, soil, and structure investigates the action of the attendance of adjacent buildings to the others by the interaction effect of the sub-soil under dynamic disturbances. The main purpose of this research is to analyze the effects of SSSI and seismic pounding on the behavior of adjacent buildings. The response of a single structure or two adjacent structures with shallow raft base lying on soft soil are studied. Three dimensions finite element models are developed to investigate the effects of pounding; gap distance; conditions of soil; stories number; a mass of adjacent building and ground excitation frequency on the seismic responses and vibration characteristics of the structures. The variation in the story displacement, story shear, and story moment responses demands are studied to evaluate the presence effect of the adjacent buildings. Numerical results acquired using conditions of soil models are compared with the condition of fixed support and adjacent building models to a single building model. The peak responses of story displacement, story moment, and story shear are studied.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.1
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pp.176-187
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2001
Most bridges have expansion joints to accommodate thermal expansion and contraction without inducing large forces in the bridges. To evaluate the effects of earthquake-induced at expansion joints of concrete bridges, the first part of this paper deals with a collinear impact between concrete segments, which have the same cross section but different lengths. Especially, impact force, momentum, strain energy and kinetic energy are formulated in mathematically. These results are then used in the second part of this paper to simulate a realistic yet simple analysis of seismic pounding in concrete bridges. Analysis of seismic pounding in idealized concrete bridges is carried out by using a simple lumped-mass model and rationally determined values of the coefficient of restitution and the duration of impact.
Polycarpou, Panayiotis C.;Papaloizou, Loizos;Komodromos, Petros;Charmpis, Dimos C.
Earthquakes and Structures
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v.8
no.5
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pp.1127-1146
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2015
The excitation angle or angle of incidence is the angle in which the horizontal seismic components are applied with respect to the principal structural axes during a time history analysis. In this study, numerical simulations and parametric studies are performed for the investigation of the effect of the angle of seismic incidence on the response of adjacent buildings, which may experience structural pounding during strong earthquakes due to insufficient or no separation distance between them. A specially developed software application has been used that implements a simple and efficient methodology, according to which buildings are modelled in three dimensions and potential impacts are simulated using a novel impact model that takes into account the arbitrary location of impacts and the geometry at the point of impact. Two typical multi-storey buildings and a set of earthquake records have been used in the performed analyses. The results of the conducted parametric studies reveal that it is very important to consider the arbitrary direction of the ground motion with respect to the structural axes of the simulated buildings, especially during pounding, since, in many cases, the detrimental effects of pounding become more pronounced for an excitation angle different from the commonly examined 0 or 90 degrees.
Historical buildings in seismically active regions are severely damaged by earthquakes, since they certainly were not designed by the original builders to withstand seismic effects. In particular the reports after major ground motions indicate that earthquake-induced pounding between buildings may lead to substantial damage or even collapse of colliding structures. The research on structural pounding during earthquakes has been recently much advanced, although most of the studies are conducted on simplified single degree of freedom systems. In this paper a detailed pounding-involved response analysis of three adjacent structures is performed, concerning the main bodies of the "Quinto Orazio Flacco" school. The construction includes a main masonry building, with an M-shaped plan, and a reinforced concrete building, separated from the masonry one and realized along its free perimeter. By the analysis of the capacity curves obtained by suitable pushover procedures performed separately for each building, it emerges that masonry and reinforced concrete buildings are vulnerable to earthquake-induced structural pounding in the longitudinal direction. In particular, due to the geometric configuration of the school, a special case of impact between the reinforced concrete structure and two parts of the masonry building occurs. In order to evaluate the pounding-involved response of three adjacent structures, in this paper a numerical procedure is proposed, programmed using MATLAB software. Both a non-linear viscoelastic model to simulate impact and an elastic-perfectly plastic approximation of the storey shear force-drift relation are assumed, differently from many commercial softwares which admit just one non-linearity.
The seismic vulnerability of skewed bridges had been observed in many past earthquakes. Researchers have found that the in-plane rotation of the girders was one of the main reasons for the vulnerability of these types of bridges. To date, not many experimental works have been done on this topic, especially those including pounding between adjacent structures. In this study, shake table tests were performed on a bridge-abutment system consisting of a straight, $30^{\circ}$, and $45^{\circ}$ bridge with and without considering pounding. Skewed bridges with the same fundamental frequency and those having the same girder mass as the straight bridge were studied. Under the loadings considered, skewed bridges with the same frequency as the straight tend to have smaller responses than those with the same mass. The average maximum bending moment developed in the piers of the $30^{\circ}$ bridge with the same mass as that of the straight when pounding was not considered was 1.6 times larger than when the frequencies were the same. It was also found that the NZTA recommendations for the seat lengths of skewed bridges could severely underestimate the relative displacements of these types of bridges in the transverse direction, especially when pounding occurs. In the worst case, the average transverse displacement of the $45^{\circ}$ bridge was about 2.6 times the longitudinal displacement of the straight, which was greatly over the limit suggested by the NZTA of 1.25 times.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.346-353
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2002
The risk of bearing failure is evaluated through the seismic response analysis of a bridge considering the probabilistic characteristics of structural properties such as the mass of superstructure, the stiffness of pier, and the translational and rotational stiffness of the foundation as well as seismic loadings during the bridge service lift. The effect of pounding between adjacent vibration units on the risk of bearing failure is also investigated. The probabilistic characteristics of structural properties are obtained by the Monte Carlo simulations based on the probabilistic characteristics of basic random variables included in the structural properties. From the simulation results, the failure probability of fixed bearings attached on the abutment is found to be much higher than those placed on the piers. It is also found that the pounding effect significantly increases the failure probability of bearings. In the simply supported bridges, the risk of bearing failure increases as the number of bridge spans increase. Therefore, the failure probability of fixed bearing due to the effects of pounding phenomena and the number of bridge spans should be considered in the seismic desist of bearings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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