In this paper the dynamic behavior of an isolated building subjected to idealized near-fault pulses is investigated. The building is represented with a simple 2-DOF model. Both linear and non-linear behavior of the isolation system is considered. Using dimensional analysis, in conjunction with closed form mathematical idealized pulses, appropriate dimensionless parameters are defined and self-similar curves are plotted on dimensionless graphs, based on which various conclusions are reached. In the linear case, the role of viscous damping is examined in detail and the existence of an optimum value of damping along with its significant variation with the number of half-cycles is shown. In the nonlinear case, where the behavior of the building depends on the amplitude of the excitation, the benefits of dimensional analysis are evident since the influence of the dimensionless 𝚷-terms is easily examined. Special consideration is given to the normalized strength of the non-linear isolation system that appears to play a complex role which greatly affects the response of the 2-DOF. In the last part of the paper, a comparison of the responses to idealized pulses between a linear fixed-base SDOF and the respective isolated 2-DOF with both linear and non-linear damping is conducted and it is shown that, under certain values of the superstructure and isolation system characteristics, the use of an isolation system can amplify both the normalized acceleration and displacement of the superstructure.
This work reports results of our study on the dynamic response of buried pipelines depending on their boundary conditions. We have studied behavior of the buried pipelines both along the axial and the transverse direction with a boundary condition of free ends. The buried pipelines are modeled as beams on elastic foundation while the seismic wave as a ground displacement in the form of a sinusoidal wave. The natural frequency, its mode, and the effect of parameters have been interpreted in terms of the free vibration. In order to investigate the response on the earthquake, the resulting frequency and the mode shape obtained from the free vibration have been utilized to derive the mathematical formula for the farced vibration. We have also completed the computer program to simulate the time-displacement graphs of the pipe lines with free ends for both cases of vibrations.
Although the horizontal component of an earthquake response can be significantly reduced through the use of conventional seismic isolators, the vertical component of excitation is still transmitted directly into the structure. Records from instrumented structures, and some recent tests and analyses have actually seen increases in vertical responses in base isolated structures under the combined effects of horizontal and vertical ground motions. This issue becomes a great concern to facilities such as a Nuclear Power Plants (NPP), with specialized equipment and machinery that is not only expensive, but critical to safe operation. As such, there is considerable interest worldwide in vertical and three-dimensional (3D) isolation systems. This paper examines several vertical and 3D isolation systems that have been proposed and their potential application to modern nuclear facilities. In particular, a series of case study analyses of a modern NPP model are performed to examine the benefits and challenges associated with 3D isolation compared with horizontal isolation. It was found that compared with the general horizontal isolators, isolators that have vertical frequencies of no more than 3 Hz can effectively reduce the vertical in-structure responses for the studied NPP model. Among the studied cases, the case that has a vertical isolation frequency of 3 Hz is the one that can keep the horizontal period of the isolators as the first period while having the most flexible vertical isolator properties. When the vertical frequency of isolators reduces to 1 Hz, the rocking effect is obvious and rocking restraining devices are necessary.
An experimental study was conducted to evaluate the dynamic behavior of a free-standing frame equipped with a movable base system using cast iron and mortar as the bearing materials. The preliminary friction test indicated that a graphite layer developed on the interface and exhibited stable friction behavior. The friction coefficient ranged from 0.33 to 0.36 when the applied normal compression stress ranged from 2.6 to 5.2 MPa. The effect of the variation of normal compression stress would be small. Shaking table tests on the free-standing frame showed that rock, slide, and rock-slide responses occurred. The cumulative slide distance reached 381 mm under JMA Kobe wave excitation; however, only a few cyclic slides occurred at the same locations along the moving track. Most surfaces sustained single slides. Similar results can be observed in other shaking conditions. The insufficient cyclic sliding and significant rocking resulted in a few graphite layers on the mortar surfaces. Friction coefficients were generally similar to those obtained in the preliminary friction tests; however, the values fluctuated when the rocking became significant. The collisions due to rocking caused strong horizontal acceleration responses and resulted in high friction coefficient. In addition, the strong horizontal acceleration responses caused by the collisions made the freestanding specimen unable to reduce the input horizontal acceleration notably, even when slippage occurred. Compared with the counterpart fixed-base specimen, the specimen equipped with the iron-mortar base could reduce the horizontal acceleration amplification response and the structural deformation, whereas the vertical acceleration response was doubled due to collisions from rocking.
The importance of seismicity in developing countries and the strengthening of buildings is a topic of major importance. Therefore, the study of several solutions with the development of new technologies is of great importance to investigate the damage on retrofitted structures by using probabilistic methods. The Federal Emergency Management Agency considers three types of performance levels by considering different scenarios, intensity and duration. The selection and scaling of ground motions mainly depends on the aim of the study. Intensity-based assessments are the most common and compute the response of buildings for a specified seismic intensity. Assessments based on scenarios estimate the response of buildings to different earthquake scenarios. A risk-based assessment is considered as one of the most effective. This research represents a practical method for developing countries where exists many active faults, tall buildings and lack of good implementable approaches. Therefore, to achieve the main goal, two high-rise steel buildings have been modeled and assessed. The contribution of buckling-restrained braces in the elastic design of both buildings is firstly verified. In the nonlinear static range, both buildings presented repairable damage at the central top part and some life safety hinges at the bottom. The nonlinear incremental dynamic analysis was applied by 15 representative/scaled accelerograms to obtain levels of performance and fragility curves. The results shown that by using probabilistic methods, it is possible to estimate the probability of collapse of retrofitted buildings by buckling-restrained braces and tuned mass dampers, which are practical retrofitting options to protect existing structures against earthquakes.
Key questions to researchers interested in nonlinear analysis of skeletal structures are whether the distributed plasticity approach - albeit computationally demanding - is more reliable than the concentrated plasticity to adequately capture the extent and severity of the inelastic response, and whether force-based formulation is more efficient than displacement-based formulation without compromising accuracy. The present research focusing on performance-based seismic response of mid-span concrete bridges provides a pilot holistic investigation opting for some hands-on answers. OpenSees software is considered adopting different modeling techniques, viz. distributed plasticity (through either displacement-based or force-based elements) and concentrated plasticity via beam-with-hinges elements. The pros and cons of each are discussed based on nonlinear pushover analysis results, and fragility curves generated for various performance levels relying on incremental dynamic analyses under real earthquake records. Among prime conclusions, distributed plasticity modeling albeit inherently not relying on prior knowledge of plastic hinge length still somewhat depends on such information to ensure accurate results. For instance, displacement-based and force-based approaches secure optimal accuracy when dividing, for the former, the member into sub-elements, and satisfying, for the latter, a distance between any two consecutive integration points, close to the expected plastic hinge length. On the other hand, using beam-with-hinges elements is computationally more efficient relative to the distributed plasticity, yet with acceptable accuracy provided the user has prior reasonable estimate of the anticipated plastic hinge length. Furthermore, when intrusive performance levels (viz. life safety or collapse) are of concern, concentrated plasticity via beam-with-hinges ensures conservative predicted capacity of investigated bridge systems.
Purpose: The dynamic behavior of a bridge structure under seismic loading depends on many uncertainties, such as the nature of the seismic waves and the material and geometric properties. However, not all uncertainties have a significant impact on the dynamic behavior of a bridge structure. Since probabilistic seismic performance evaluation considering even low-impact uncertainties is computationally expensive, the uncertainties should be identified by considering their impact on the dynamic behavior of the bridge. Therefore, in this study, a global sensitivity analysis was performed to identify the main parameters affecting the dynamic behavior of bridges with I-curved girders. Method: Considering the uncertainty of the earthquake and the material and geometric uncertainty of the curved bridge, a finite element analysis was performed, and a surrogate model was developed based on the analysis results. The surrogate model was evaluated using performance metrics such as coefficient of determination, and finally, a global sensitivity analysis based on the surrogate model was performed. Result: The uncertainty factors that have the greatest influence on the stress response of the I-curved girder under seismic loading are the peak ground acceleration (PGA), the height of the bridge (h), and the yield stress of the steel (fy). The main effect sensitivity indices of PGA, h, and fy were found to be 0.7096, 0.0839, and 0.0352, respectively, and the total sensitivity indices were found to be 0.9459, 0.1297, and 0.0678, respectively. Conclusion: The stress response of the I-shaped curved girder is dominated by the uncertainty of the input motions and is strongly influenced by the interaction effect between each uncertainty factor. Therefore, additional sensitivity analysis of the uncertainty of the input motions, such as the number of input motions and the intensity measure(IM), and a global sensitivity analysis considering the structural uncertainty, such as the number and curvature of the curved girders, are required.
The safety related components in the nuclear power plant should be designed to withstand the seismic load. Among these components the integrity of reactor internals under earthquake load is important in stand points of safety and economics, because these are classified to Seismic Class I components. So far the modelling methods of reactor internals have been investigated by many authors. In this paper, the dynamic behaviour of reactor internals of Yong Gwang 1&2 nuclear power plants under SSE(Safe Shutdown Earthquake) load is analyzed by using of the simpled Global Beam Model. For this, as a first step, the characteristic analysis of reactor internal components are performed by using of the finite element code ANSYS. And the Global Beam Model for reactor internals which includes beam elements, nonlinear impact springs which have gaps in upper and lower positions, and hydrodynamical couplings which simulate the fluid-filled cylinders of reactor vessel and core barrel structures is established. And for the exciting external force the response spectrum which is applied to reactor support is converted to the time history input. With this excitation and the model the dynamic behaviour of reactor internals is obtained. As the results, the structural integrity of reactor internal components under seismic excitation is verified and the input for the detailed duel assembly series model could be obtained. And the simplicity and effectiveness of Global Beam Model and the economics of the explicit Runge-Kutta-Gills algorithm in impact problem of high frequency interface components are confirmed.
Three-dimensional finite-difference simulation in a small-scale half-sphere basin with planar free-surface is performed for an arbitrary shear-dislocation point source. A new scheme to deal with free-surface boundary condition is presented. Then basin parameters are examined to understand main characteristics on ground-motion response in the basin. To analyze the frequency content of ground motion in the basin, spectral amplitudes are compared with each other for four sites inside and outside the basin. Also particle motions for those sites are examined to find which kind of wave plays a dominant role in ground-motion response. The results show that seismic energy is concentrated on a marginal area of the basin far from the source. This focusing effect is mainly due to constructive interference of the direct Swave with basin-edge induced surface waves. Also, ground-motion amplification over the deepest part of the basin is relatively lower than that above shallow basin edge. In the small-scale basin with relatively simple bedrock interface, therefore, the ground-motion amplification may be more related to the source azimuth or direction of the incident waves into the basin rather than depth of it.
Scientific community agrees about the fact that base Isolation provides interesting solutions to minimize the seismic risk. Reliability of such a technique is nowadays proofed by a large number of applications like public buildings, nuclear plants, bridges, etc. This paper reports the results of performance verification tests of the base isolated RC building with the laminated rubber bearings which is manufactured by enterprise in Korea. The shaking table tests were performed using a three story model scaled to 1/3 of the prototype RC apartment building. Several major earthquake records were scaled to different peak ground accelerations and used as input base excitations. Especially in this study, effect of earthquake characteristics on response reduction and effect of the intensity of excitations are studied. Through the verification tests, the validity of the applied base isolaion device and the response reduction effect against earthquakes are confirmed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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