Rocking motion have been used for achieving the 'resilient buildings' against earthquakes in recent studies. Low-rise buildings, unlike the tall ones, because of their small aspect ratio tend to slide rather than move in rocking mode. However, since rocking is more effective in seismic response reduction than sliding, it is desired to create rocking motion in low-rise buildings too. One way for this purpose is making the building's structure rock on its internal bay(s) by reducing the number of bays at the lower part of the building's skeleton, giving it a mushroom form. In this study 'mushroom skeleton' has been used for creating multi-story rocking regular steel buildings with square plan to rock on its one-by-one bay central lowest story. To show if this idea is effective, a set of mushroom buildings have been considered, and their seismic responses have been compared with those of their conventional counterparts, designed based on a conventional code. Also, a set of similar buildings with skeleton stronger than code requirement, to have immediate occupancy (IO) performance level, have been considered for comparison. Seismic responses, obtained by nonlinear time history analyses, using scaled three-dimensional accelerograms of selected earthquakes, show that by using appropriate 'mushroom skeleton' the seismic performance of buildings is upgraded to mostly IO level, while all of the conventional buildings experience collapse prevention (CP) level or beyond. The strong-skeleton buildings mostly present IO performance level as well, however, their base shear and absolute acceleration responses are much higher than the mushroom buildings.
Li, Yan-Wen;Yam, Michael C.H.;Zhang, Ping;Ke, Ke;Wang, Yan-Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.5
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pp.611-628
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2022
Energy-dissipative rocking (EDR) columns are a class of seismic mitigation device capable of dissipating seismic energy and preventing weak-story failure of moment resisting frames (MRFs). An EDR consists of two hinge-supported steel columns interconnected by steel dampers along its height. Under earthquakes, the input seismic energy can be dissipated by plastic energy of the steel dampers in the EDR column. However, the unrecoverable plastic deformation of steel dampers generally results in residual drifts in the structural system. This paper presents a proof-of-concept study on an innovative device, namely self-centring energy-dissipative rocking (SC-EDR) column, aiming at enabling self-centring capability of the EDR column by installing a set of shape memory alloy (SMA) tension braces. The working mechanism of the SC-EDR column is presented in detail, and the feasibility of the new device is carefully examined via experimental and numerical studies considering the parameters of the SMA bar diameter and the steel damper plate thickness. The seismic responses including load carrying capacities, stress distributions, base rocking behaviour, source of residual deformation, and energy dissipation are discussed in detail. A rational combination of the steel damper and the SMA tension braces can achieve excellent energy dissipation and self-centring performance.
Rocking response of rigid bodies with rectangular footprint, freely standing on horizontal rigid plane is studied analytically. Bodies are subjected to simulated single component of horizontal earthquakes. The effect of baseline correction, applied to simulated excitations, on the rocking response is first examined. The sensitiveness of rocking motion to the details of earthquakes and geometric properties of rigid bodies is investigated. Due to the demonstrated sensitivity of rocking response to these factors, prediction of rocking stability must be made in the framework of probability theory. Therefore, using a large number of simulated earthquakes, the effects of duration and shape of intensity function of simulated earthquakes on overturning probability of rigid bodies are studied. In the case when a rigid body is placed on any floor of a building, the corresponding probability is compared to that of a body placed on the ground. For this purpose, several shear frames are employed. Finally, the viability of the energy balance equation, which was introduced by Housner in 1963 and widely used by nuclear power industry to estimate the rocking stability of bodies, is evaluated. It is found that the equation is robust. Examples are also given to show how this equation can be used.
This study introduces a novel 'multi-mushroom' structural system designed to improve seismic performance in lowrise buildings. Traditional low-rise structures tend to favor sliding over rocking due to their smaller aspect ratios despite the rocking system's superior seismic response reduction. Rocking designs allow structures to pivot at their base during seismic events, reducing damage by dissipating energy. The proposed multi-mushroom system divides the building into four equal sections with small gaps in between, each capable of independent rocking. Numerical analyses are conducted using scaled earthquake records from far- and near-source events to evaluate this system's performance. The results indicated that the multimushroom system significantly reduces plastic hinge formation compared to conventional designs. The system also demonstrated enhanced beam performance and a robust base girder, contributing to reduced collapse vulnerability. The 3-story model exhibited the most favorable behavior, effectively mitigating peak roof drift values, where the rocking system achieved a 21% reduction in mean roof displacement for near-field records and 15% for far-field records. However, the 5-story configuration showed increased roof displacement, and the 7-story model recorded higher incidences of collapse prevention (CP) hinges, indicating areas for further optimization. Overall, the multi-mushroom system enhances seismic resilience by minimizing plastic hinge formation and improving structural integrity. While the system shows significant promise for low-rise buildings, challenges related to roof displacement and inter-story drift ratio in taller structures necessitate further research. These findings suggest that the multi-mushroom system offers a viable solution for seismic risk reduction, contributing to safer and more sustainable urban development in earthquake-prone areas.
The objective of seismic resilience is to maintain or rapidly restore the function of a building after an earthquake. An efficient tilt mechanism at the member level is crucial for the restoration of the main structure function; however, the damage resistance of the members should be the main focus. In this study, through a comparison with the classical Flamant theory of local loading in the elastic half-space, an elastomechanical solution for the axial-stress distribution of a reinforced-concrete (RC) rocking column was derived. Furthermore, assuming that the lateral displacement of the rocking column is determined by the contact surface rotation angle of the column end and bending and shear deformation of the column body, the load-lateral displacement mechanical model of the RC rocking column was established and validated through a comparison with finite-element simulation results. The axial-compression ratio and column-end strength were analyzed, and the results indicated that on the premise of column damage resistance, simply increasing the axial-compression ratio increases the lateral loading capacity of the column but is ineffective for improving the lateral-displacement capacity. The lateral loading and displacement of the column are significantly improved as the strength of the column end material increases. Therefore, it is feasible to improve the working performance of RC rocking columns via local reinforcement of the column end.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.12
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pp.11-20
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2018
The purpose of this study is to investigate the seismic performance of exposed column-base plate strong-axis connections for small-sized steel buildings. Even though the seismic design for small-sized buildings became mandatory since Dec.2017, the arbitrary connection details in steel structure have been applied at the construction site, which is considered to be very insufficient to secure structural safety and stability considering the increased seismic risk. Therefore, a series of experimental test programs had been carried out to develop enhanced connection details in order to ensue the adequate seismic safety of small buildings. The hysteretic behavior of the exposed column-base plate connections commonly used in Korea seem to be very pure poor due to the "Rocking" phenomena between anchor plate and concrete by the residual plastic deformation of anchor bolts. A series of hysteretic tests were conducted to find the solution to overcome the "Rocking" phenomena of the exposed column-base plate connections, finally the stable seismic behavior was obtained by uisng at least 8 anchor bolts with good bonding strength to the protptype specimen.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.5
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pp.1-12
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2019
The purpose of this study is to enhance the seismic performance of exposed column-base plate weak-axis connections for small-sized steel buildings. According to the site inspection for the small-sized building construction, the arbitrary connection details in steel buildings have been applied at the job site, which is considered to be insufficient to guarantee structural safety and stability considering the increased seismic risk in Korea. Therefore, a series of test programs had been done to develop enhanced connection details in order to ensue the adequate seismic stability and safety of small-sized steel buildings. From the test results, It was found that the exposed column-base plate weak-axis connections commonly used in Korea shows very poor seismic behavior due to the "Rocking" phenomena caused by the residual plastic deformation of anchor bolts between anchor plate and concrete. A series of hysteretic tests for finding that solution were conducted to reduce the "Rocking" phenomena of the column-base plate connections, and local buckling of webs in H-column. Finally the enhanced stable seismic behavior was obtained by reinforcing at least 8 anchor bolts with good bonding strength and stiffeners to the webs in H-column.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.04a
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pp.298-307
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2000
The behavior of a unreinforced cement brick building structure subjected to earthquake loading was experimentally investigated. for this four full size wall specimens were tested under quasi-static in-plane cyclic loading. Experimental observations indicate that the failure modes of unreinforced masonry walls are principally governed by sliding or/and rocking depending on the aspect ration and magnitude of axial loading. Also found was the flexure or shear mode resulting from the degraded strength of brick and/or mortar due to the cyclic loading effect.
Duhee Park;Van-Quang Nguyen;Gyuphil Lee;Youngsuk Lee
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.24
no.2
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pp.13-24
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2023
Tunnels may undergo a larger or a smaller response compared with the free-field soil. In the pseudo-static procedure, the response of the tunnel is most often characterized by a curve that relates the racking ratio (R) with the flexibility ratio (F), where R represents the ratio of the tunnel response with respect to the free-field vibration and F is the relative stiffness of the tunnel and the surrounding soil. A set of analytical and empirical curves that do not account for the depth and the aspect ratio of the tunnel are typically used in practice. In this study, a series of dynamic analyses are conducted to develop a set of F-Rm relations for use in a frame analysis method. Rm is defined as an adjusted R where the rocking mode of deformation is removed and only the racking deformation is extracted. The numerical model is validated against centrifuge test recordings. The influence of aspect ratio, buried depth of tunnel on results is investigated. The results show that Rm increases with the increase of the buried depth and the aspect ratio. The widely used F-R relations are highlighted to be different compared with the obtained results in this study. Therefore, the updated F-Rm relations with proposed equations are recommended to be used in practice design. The rocking response decreases with either the decrease of the difference of stiffness between surrounding soil and tunnel or the larger aspect ratio of the tunnel section.
In order to investigate the application of 3D base-seismic isolation system in nuclear power plants (NPPs), comprehensive analysis of constitution and design theory for 3-dimensional combined isolation bearing (3D-CIB) was presented and derived. Four different vertical stiffness of 3D-CIB was designed to isolate the nuclear island (NI) building. This paper aimed at investigating the isolation effectiveness of 3D-CIB through modal analysis and dynamic time-history analysis. Numerical results in terms of dynamic response of 3D-CIB, relative displacement response, acceleration and floor response spectra (FRS) of the superstructure were compared to validate the reliability of 3D-CIB in mitigating seismic response. The results showed that 3D-CIB can significantly attenuate the horizontal acceleration response, and a fair amount of the vertical acceleration response reduction of the upper structure was still observed. 3D-CIB plays a significant role in reducing the horizontal and vertical FRS, the vertical FRS basically do not vary with the floor height. The smaller the vertical stiffness of 3D-CIB is, the better the vertical isolation effectiveness is, whereas, it will increase the displacement and the rocking effect of superstructure. Although the advantage of 3D-CIB is that the vertical stiffness can be flexibly adjusted, it should be designed by properly accounting for the balance between the isolation effectiveness and displacement control including rocking effect. The results of this study can provide the technical basis and guidance for the application of 3D-CIB to engineering structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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