Seismic base isolation has been accepted as one of the most popular design procedures to protect important structures against earthquakes. However, due to lack of information and experimental data the application of base isolation is quite limited to nuclear power plant (NPP) industry. Moreover, the effects of inelastic behavior of soil beneath base-isolated NPP have raised questions to the effectiveness of isolation device. This study applies the wavelet analysis to investigate the effects of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response of a base-isolated NPP structure. To evaluate the SSI effects, the NPP structure is modelled as a lumped mass stick model and combined with a soil model using the concept of cone models. The lead rubber bearing (LRB) base isolator is used to adopt the base isolation system. The shear wave velocity of soil is varied to reflect the real rock site conditions of structure. The comparison between seismic performance of isolated structure and non-isolated structure has drawn. The results show that the wavelet analysis proves to be an efficient tool to evaluate the SSI effects on the seismic response of base-isolated structure and the seismic performance of base-isolated NPP is not sensitive to the effects in this case.
The seismic responses of a building are affected by the base soil conditions. In this study, linear time-history seismic analysis and nonlinear pushover static seismic analysis were performed to estimate the base shear forces of 3-, 5-, and 7-story steel buildings, considering the rigid and soft soil conditions. Foundation soil stiffness, based on the equivalent static stiffness formula, is used for the damper, one of the Link elements in SAP 2000. The base shear forces of the steel buildings, estimated through time-history analysis using the general-purpose structural-analysis program of SAP 2000, were compared with those calculated using the domestic seismic design code, the UBC-97 design response spectrum. and pushover static nonlinear analysis. The steel buildings designed for gravity and wind loads showed elastic responses with a moderate earthquake of 0.11 g, while the elastic soft-soil layer increased the displacement and the base shear force of the buildings due to soil-structure interaction and soil amplification. Therefore, considering the characteristics of the soft-soil layer, it is more reasonable to perform an elastic seismic analysis of a building's structure during weak or moderate earthquakes.
The purpose of this paper is to propose a simple analysis method of axial deformation of base-isolation rubber bearings in a building subjected to earthquake loading and present its applicability to the analysis of the bound of the aspect ratio of base-isolated buildings. The base shear coefficient is introduced as a key parameter for the bound analysis. The bound of the aspect ratio of base-isolated buildings is analyzed based on the relationship of the following four quantities; (i) ultimate state of the tensile stress of rubber bearings based on a proposed simple recursive analysis for seismic loading, (ii) ultimate state of drift of the base-isolation story for seismic loading, (iii) ultimate state of the axial compressive stress of rubber bearings under dead loads, (iv) prediction of the overturning moment at the base for seismic loading. In particular, a new recursive analysis method of axial deformation of rubber bearings is presented taking into account the nonlinear tensile behavior of rubber bearings and it is shown that the relaxation of the constraint on the ultimate state of the tensile stress of rubber bearings increases the limiting aspect ratio.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.1
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pp.13-24
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2023
In this study, alternative seismic force-resisting systems for plant structure supporting equipment were designed, and the seismic performance thereof was compared using nonlinear dynamic analysis. One alternative seismic force-resisting system was designed per the requirement for ordinary moment-resisting and concentrically braced frames but with a reduced base shear. The other seismic force-resisting system was designed by accommodating seismic details of intermediate and unique moment-resisting frames and special concentrically braced frames. Different plastic hinge models were applied to ordinary and ductile systems based on the validation using existing test results. The control model obtained by code-based flexible design and/or reduction of base shear did not satisfy the seismic performance objectives, but the alternative structural system did by strengthened panel zones and a reduced effective buckling length. The seismic force to equipment calculated from the nonlinear dynamic analysis was significantly lower than the equivalent static force of KDS 41 17 00. The comparison of design alternatives showed that the seismic performance required for a plant structure could be secured economically by using performance-based design and alternative seismic-force resisting systems adopting minimally modified seismic details.
TECSolverApp is an application that calculates the total equivalent seismic load (base shear) and shows the design spectra in accordance with the Turkish Earthquake Code (TEC). TECSolverApp software can present the spectral acceleration-period graph and the base shear (in terms of unit building weight) in MATLAB and .NET Core frameworks according to TEC 2007 and TEC 2018. In the software, three different building period evaluation options were provided, as entering the period directly, empirical calculation, and using the period calculation formula. In different period calculation scenarios, particular design input parameters such as site-specific spectral acceleration coefficients, local soil class, building importance coefficient, and structural system behavior coefficient are expected. TECSolverApp was produced in two different programming languages and published in MATLAB App Designer and ASP.NET Core MVC environments. To be shared in MATLAB App Designer, it was aimed at availability through the program and distributability as a desktop application. By deploying in ASP.NET Core MVC, open-source cross-platform coding and web-based accessibility were targeted. One of the strongest aspects of TECSolverApp is its developability thanks to software architecture. In this respect, it can be foreseen that other international seismic codes can be added to the calculations in the future.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2005.03a
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pp.137-144
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2005
Seismic responses of a building are affected due to the site soil conditions. In this study, linear time history seismic analysis and nonlinear pushover static seismic analysis were performed to estimate the base shear forces of the 3, 5 and 7-story steel structure buildings considering the rigid and soft soil conditions. According to the study results, the steel structure buildings designed for the gravity loads and wind load showed the elastic responses with the moderate earthquake of 0.11g, and the soft soil layer increased the displacement and the base shear force of a building. Therefore it is more resonable to perform an elastic seismic analysis of a building structure with the moderate earthquakes considering the characteristics of the soft soil layer.
The effects of vertical component of earthquakes on torsional amplification due to mass eccentricity in seismic responses of base-isolated structures subjected to near-field ground motions are studied in this paper. 3-, 6- and 9-story superstructures and aspect ratios of 1, 2 and 3 have been modeled as steel special moment frames mounted on Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratios. Three-dimensional linear superstructures resting on nonlinear isolators are subjected to both 2 and 3 component near-field ground motions. Effects of mass eccentricity and vertical component of 25 near-field earthquakes on the seismic responses including maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration are studied. The results indicate that the effect of vertical component on the responses of asymmetric structures, especially on the base shear is significant. Therefore, it can be claimed that in the absence of the vertical component, mass eccentricity has a little effect on the base shear increase. Additionally, the impact of this component on acceleration is remarkable so the roof acceleration of a nine-story structure has been increased 1.67 times, compared to the case that the structure is subjected to only horizontal components of earthquakes.
Seismic design practices and seismic response analyses of civil structures and nuclear power plants (NPPs) have conventionally used the peak ground acceleration (PGA) or spectral acceleration (Sa) as an intensity measure (IM) of an earthquake. However, there are many other earthquake IMs that were proposed by various researchers. The aim of this study is to investigate the correlation between seismic responses of NPP components and 23 earthquake IMs and identify the best IMs for correlating with damage of NPP structures. Particularly, low- and high-frequency ground motion records are separately accounted in correlation analyses. An advanced power reactor NPP in Korea, APR1400, is selected for numerical analyses where containment and auxiliary buildings are modeled using SAP2000. Floor displacements and accelerations are monitored for the non- and base-isolated NPP structures while shear deformations of the base isolator are additionally monitored for the base-isolated NPP. A series of Pearson's correlation coefficients are calculated to recognize the correlation between each of the 23 earthquake IMs and responses of NPP structures. The numerical results demonstrate that there is a significant difference in the correlation between earthquake IMs and seismic responses of non-isolated NPP structures considering low- and high-frequency ground motion groups. Meanwhile, a trivial discrepancy of the correlation is observed in the case of the base-isolated NPP subjected to the two groups of ground motions. Moreover, a selection of PGA or Sa for seismic response analyses of NPP structures in the high-frequency seismic regions may not be the best option. Additionally, a set of fragility curves are thereafter developed for the base-isolated NPP based on the shear deformation of lead rubber bearing (LRB) with respect to the strongly correlated IMs. The results reveal that the probability of damage to the structure is higher for low-frequency earthquakes compared with that of high-frequency ground motions.
Kontoni, Denise-Penelope N.;Farghaly, Ahmed Abdelraheem
Earthquakes and Structures
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v.17
no.4
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pp.425-434
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2019
The most effective passive vibration control and seismic resistance options in a reinforced concrete (RC) high-rise building (HRB) are the base isolation and the tuned mass damper (TMD) system. Many options, which may be suitable or not for different soil types, with different types of bearing systems, like rubber isolator, friction pendulum isolator and tension/compression isolator, are investigated to resist the base straining actions under five different earthquakes. TMD resists the seismic response, as a control system, by reducing top displacement or the total movement of the structure. Base isolation and TMDs work under seismic load in a different way, so the combination between base isolation and TMDs will reduce the harmful effect of the earthquakes in an effective and systematic way. In this paper, a comprehensive study of the combination of TMDs with three different base-isolator types for three different soil types and under five different earthquakes is conducted. The seismic response results under five different earthquakes of the studied nine RC HRB models (depicted by the top displacement, base shear force and base bending moment) are compared to show the most suitable hybrid passive vibration control system for three different soil types.
A nonlinear static procedure considering work-energy principle and global failure mechanism to estimate base shears of reinforced concrete (RC) frame-type structures is presented. The relative energy equation comprising of elastic vibrational energy, plastic strain energy and seismic input energy is obtained. The input energy is modified with a factor depending on damping ratio and ductility, and the energy that contributes to damage is obtained. The plastic energy is decreased with a factor to consider the reduced hysteretic behavior of RC members. Given the pre-selected failure mechanism, the modified energy balance equality is written using various approximations for modification factors of input energy and plastic energy in scientific literature. External work done by the design lateral forces distributed to story levels in accordance with Turkish Seismic Design Code is calculated considering the target plastic drift. Equating the plastic energy obtained from energy balance to external work done by the equivalent inertia forces considering, a total of 16 energy-based base shears for each frame are derived considering different combinations of modification factors. Ductility related parameters of modification factors are determined from pushover analysis. Relative input energy of multi degree of freedom (MDOF) system is approximated by using the modal-energy-decomposition approach. Energy-based design base shears are compared with those obtained from nonlinear time history (NLTH) analysis using recorded accelerograms. It is found that some of the energy-based base shears are in reasonable agreement with the mean base shear obtained from NLTH analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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