The pile-supported wharf is the port structure in which the upper deck is supported by piles or columns. By installing batter piles in this structure, horizontal load such as earthquake loads can be partially delivered as axial forces. The codes suggests using the response spectrum analysis as a preliminary design method for seismic design of pile-supported wharf, and suggests modeling the piles using virtual fixed points or soil spring methods for this analysis. Recently, several studies have been conducted on pile-supported wharves composed of vertical piles to derive a modeling method that appropriately simulates the dynamic response of structures during response spectrum analysis. However, studies related to the response spectrum analysis of pile-supported wharves with batter piles are insufficient so far. Therefore, this study performed the dynamic centrifuge model test and response spectrum analysis to evaluate the seismic performance according to the modeling method of pile-supported wharves with batter piles. As a result of test and analysis, it is confirmed that modeling using the Terzaghi (1955) constant of horizontal subgrade reaction (nh) most appropriately simulates the actual response in the case of the pile-supported wharf with batter piles.
Seismic response of the liquid storage tanks isolated by the elastomeric bearings and sliding systems is investigated under near-fault earthquake motions. The fault normal and parallel components of near-fault motion are applied in two horizontal directions of the tank. The continuous liquid mass of the tank is modeled as lumped masses known as sloshing mass, impulsive mass and rigid mass. The corresponding stiffness associated with these lumped masses has been worked out depending upon the properties of the tank wall and liquid mass. It is observed that the resultant response of the isolated tank is mainly governed by fault normal component with minor contribution from the fault parallel component. Further, a parametric study is also carried out to study the effects of important system parameters on the effectiveness of seismic isolation for liquid storage tanks. The various important parameters considered are: aspect ratio of tank, the period of isolation and the damping of isolation bearings. There exists an optimum value of isolation damping for which the base shear in the tank attains the minimum value under near-fault motion. The increase of damping beyond the optimum value will reduce the bearing and sloshing displacements but increases the base shear. A comparative performance of five isolation systems for liquid storage tanks is also studied under normal component of near-fault motion and found that the EDF type isolation system may be a better choice for design of isolated tank in near-fault locations. Finally, it is also observed that the satisfactory response can be obtained by analysing the base-isolated tanks under simple cycloidal pulse instead of complete acceleration history.
The frequently excessive vibrations presented in civil structures during seismic events or service conditions may result in users' discomfort, or worst, in structures failure, producing economic and even human casualties. This work contributes in proposing the synthesis of a nonlinear optimal control strategy for semiactive structural control, with the main characteristic that the synthesis considers both the structure model and the semiactive actuator nonlinear dynamics, which produces a nonlinear system that requires a nonlinear controller design. The aim is to reduce the unwanted vibrations in the response of civil structures, by means of intelligent fluid semiactive actuator such as the Magnetorheological Damper (MRD), which is a device with a low level of power consumption. The civil structures for which the proposed control methodology can be applied are those admitting a state-dependent coefficient factorized representation model, such as buildings, bridges, among others. A scaled model of a three storey building is analyzed as a case study, whose dynamical response involves displacement, velocity and acceleration of each one of the storeys, subjected to the North-South component of the September 19th., 2017, Puebla-Morelos (7.1M), Mexico earthquake. The investigation rests on comparing the structural response over time for two different conditions: with no control device installed and with one MRD installed between the first floor and the ground, where a nonlinear optimal signal for the MRD input voltage is determined. Simulation results are presented to show the effectiveness of the proposed controller for reducing the building's dynamical response.
Elwardany, Hytham;Mosa, Beshoy;Khedr, M. Diaa Eldin;Seleemah, Ayman
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.2
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pp.153-166
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2022
Structural pounding due to strong seismic excitations can result in severe damage or even collapse of colliding structures. Many researchers focused on studying the mutual pounding between two adjacent structures while very few researches were concerned with the pounding of a series of structures. This paper aims to study the pounding effect on a series of four buildings having different natural frequencies. The paper also investigates the effect of different arrangements of the four buildings on their pounding response. For this, a mathematical model was constructed using Matlab code where, pounding was modeled using a contact force-based approach. A Non-Linear viscoelastic (Hertzdamp) contact element was used and activated only during the approach period of collision. The mathematical model was validated by comparing its prediction versus experimental results on three adjacent buildings. Then the model was used to study the pounding between four adjacent structures arranged in different sequences according to their natural frequencies. The results revealed that increasing the gap distance generally led to decrease the peak responses of the towers. Such response is somehow different from that predicted earlier by the authors for the case of three adjacent buildings. Moreover, the arrangement of towers has a significant effect on their pounding response. Significant difference between the natural frequencies of adjacent structures increases the pounding forces especially when the more flexible buildings are located at the outer edge of the series. The study points out the need for further researches on buildings in series to gain a better understanding of such complex phenomena.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.3
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pp.373-384
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2000
To assess the safety of nonlinear steel frame structures subjected to short duration dynamic loadings, especially seismic loading, a nonlinear time domain reliability analysis procedure is proposed in the context of the stochastic finite element concept. In the proposed algorithm, the finite element formulation is combined with concepts of the response surface method, the first order reliability method, and the iterative linear interpolation scheme. This leads to the stochastic finite element concept. Actual earthquake loading time-histories are used to excite structures, enabling a realistic representation of the loading conditions. The assumed stress-based finite element formulation is used to increase its efficiency. The algorithm also has the potential to evaluate the risk associated with any linear or nonlinear structure that can be represented by a finite element algorithm subjected to seismic loading or any short duration dynamic loading. The algorithm is explained with help of an example and verified using the Monte Carlo simulation technique.
Different incident angles of ground motions have been considered to evaluate the relationship between floor rotation and torsional irregularity coefficient. The issues specifically addressed are (1) variability in torsional irregularity coefficient and floor rotations with varying incident angles of ground motion (2) contradictory relationship between floor rotation and torsional irregularity coefficient. To explore the stated issues, an evaluation based on relative variation in seismic response quantities of linear asymmetric structure under the influence of horizontal bi-directional excitation with varying seismic orientations has been carried out using response history analysis. Several typical earthquake records are applied to the structure to demonstrate the relative variations of floor rotation and torsional irregularity coefficient for different seismic orientations. It is demonstrated that (1) Torsional irregularity coefficient (TIC) increases as the story number decreases when the ground motion is considered along reference axes of the structure. For incident angles other than structure's reference axes, TIC either decreases as the story number decreases or there is no specific trend for TIC. Floor rotation increases in proportion to the story number when the ground motion is considered along reference axes of structure. For incident angles other than structure's reference axes, floor rotation either decreases as the story number increases or there is no specific trend for floor rotation and (2) TIC and floor rotation seems to be approximately inversely proportional to each other when the ground motion is considered along reference axes of the structure. For incident angles other than structure's reference axes, the relationship can even become directly proportional instead of inversely proportional.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.22
no.3
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pp.33-40
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2022
Recently, cultural heritages in South Korea gain many interests of restoration and preservation from the government since many of that have been severely damaged during earthquakes. Many previous studies in both terms of experimental and analytical approaches have been done to examine structural behavior and decide appropriate methods of preservation. Being motivated by such researches, this research aims to investigate a religious stone pagoda dated back to the Goryeo Dynasty in Korea. The structure consists of a granite stone foundation and baked bricks, which resembles the shape of traditional pagodas. In order to examine the structural behavior of the pagoda, an analytical model is implemented using ANSYS, a comprehensive engineering simulation platform. For the time history analysis of the pagoda, several earthquake excitations are chosen and input to simulation modeling. Seismic response of the tower such as time domain, natural frequency, modal shapes and peak acceleration measured at each layer are presented and discussed. In addition, the amplification ratio of the tower is calculated from the accelerations of each layer to determine tower stability in accordance with Korean seismic design guide. The determination and evaluation of status and response of the brick tower by simulation analysis play an important role in the preservation of history as well as valuable architectural heritages in South Korea.
To obtain the seismic response of lead-cored rubber, shape memory alloy (SMA)-rubber isolation Plate-shell Integrated Concrete Liquid-Storage Structure (PSICLSS), based on a PSICLSS in a water treatment plant, built a scale experimental model, and a shaking table test was conducted. Discussed the seismic responses of rubber isolation, SMA-rubber isolation PSICLSS. Combined with numerical model analysis, the vibration characteristics of rubber isolation PSICLSS are studied. The results showed that the acceleration, liquid sloshing height, hydrodynamic pressure of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS are amplified when the frequency of seismic excitation is close to the main frequency of the isolation PSICLSS. The earthquake causes a significant leakage of liquid, at the same time, the external liquid sloshing height is significantly higher than internal liquid sloshing height. Numerical analysis showed that the low-frequency acceleration excitation causes a more significant dynamic response of PSICLSS. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of internal liquid causes a more significant sloshing height of the internal liquid, but has little effect on the structural principal stresses. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of external liquid causes the most enormous structural principal stress, and a more significant external liquid sloshing height. In particular, the principal stress of PSICLSSS with long isolation period will be significantly enlarged. Therefore, the stiffness of the isolation layer should be properly adjusted in the design of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS.
Manolis, G.D.;Makra, Konstantia;Dineva, Petia S.;Rangelov, Tsviatko V.
Earthquakes and Structures
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v.5
no.2
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pp.161-205
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2013
We study seismically induced, anti-plane strain wave motion in a non-homogeneous geological region containing tunnels. Two different scenarios are considered: (a) The first models two tunnels in a finite geological region embedded within a laterally inhomogeneous, layered geological profile containing a seismic source. For this case, labelled as the first boundary-value problem (BVP 1), an efficient hybrid technique comprising the finite difference method (FDM) and the boundary element method (BEM) is developed and applied. Since the later method is based on the frequency-dependent fundamental solution of elastodynamics, the hybrid technique is defined in the frequency domain. Then, an inverse fast Fourier transformation (FFT) is used to recover time histories; (b) The second models a finite region with two tunnels, is embedded in a homogeneous half-plane, and is subjected to incident, time-harmonic SH-waves. This case, labelled as the second boundary-value problem (BVP 2), considers complex soil properties such as anisotropy, continuous inhomogeneity and poroelasticity. The computational approach is now the BEM alone, since solution of the surrounding half plane by the FDM is unnecessary. In sum, the hybrid FDM-BEM technique is able to quantify dependence of the signals that develop at the free surface to the following key parameters: seismic source properties and heterogeneous structure of the wave path (the FDM component) and near-surface geological deposits containing discontinuities in the form of tunnels (the BEM component). Finally, the hybrid technique is used for evaluating the seismic wave field that develops within a key geological cross-section of the Metro construction project in Thessaloniki, Greece, which includes the important Roman-era historical monument of Rotunda dating from the 3rd century A.D.
Shape memory alloys (SMAs) exhibit superelasticity given the ambient temperature is above the austenite finish temperature threshold, the magnitude of which significantly depends on the metal ingredients though. For the monocrystalline CuAlBe SMAs, their superelasticity was found being maintained even when the ambient temperature is down to $-40^{\circ}C$. Thus this makes such SMAs particularly favorable for outdoor seismic applications, such as the framed structures located in cold regions with substantial temperature oscillation. Due to the thermo-mechanical coupling mechanism, the hysteretic properties of SMAs vary with temperature change, primarily including altered material strength and different damping. Thus, this study adopted the monocrystalline CuAlBe SMAs as the kernel component of the SMA braces. To quantify the seismic response characteristics at various temperatures, a wide temperature range from -40 to $40^{\circ}C$ are considered. The middle temperature, $0^{\circ}C$, is artificially selected to be the reference temperature in the performance comparisons, as well the corresponding material properties are used in the seismic design procedure. Both single-degree-of-freedom systems and a six-story braced frame were numerically analyzed by subjecting them to a suite of earthquake ground motions corresponding to the design basis hazard level. To the frame structures, the analytical results show that temperature variation generates minor influence on deformation and energy demands, whereas low temperatures help to reduce acceleration demands. Further, attributed to the excellent superelasticity of the monocrystalline CuAlBe SMAs, the frames successfully maintain recentering capability without leaving residual deformation upon considered earthquakes, even when the temperature is down to $-40^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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