The seismic performance of the tall building equipped with a tuned mass damper (TMD) considering soil-structure interaction (SSI) effects is well studied in the literature. However, these studies are performed on the nominal model of the seismic-excited structural system with SSI. Hence, the outcomes of the studies may not valid for the actual structural system. To address the study gap, the reliability theory as a useful and powerful method is utilized in the paper. The present study aims to carry out reliability analyses on tall buildings equipped with TMD under near-field pulse-like (NFPL) ground motions considering SSI effects using a subset simulation (SS) method. In the presence of uncertainties of the structural model, TMD device, foundation, soil, and near-field pulse-like ground motions, the numerical studies are performed on a benchmark 40-story building and the failure probabilities of the structures with and without TMD are evaluated. Three types of soils (dense, medium, and soft soils), different earthquake magnitudes (Mw = 7,0. 7,25. 7,5 ), different nearest fault distances (r = 5. 10 and 15 km), and three seismic performance levels of immediate occupancy (IO), life safety (LS), and collapse prevention (CP) are considered in this study. The results show that tall buildings built near faults and on soft soils are more affected by uncertainties of the structural and ground motion models. Hence, ignoring these uncertainties may result in an inaccurate estimation of the maximum seismic responses. Also, it is found the TMD is not able to reduce the failure probabilities of the structure in the IO seismic performance level, especially for high earthquake magnitudes and structures built near the fault. However, TMD is significantly effective in the reduction of failure probability for the LS and CP performance levels. For weak earthquakes and long fault distances, the failure probabilities of both structures with and without TMD are near zero, and the efficiency of the TMD in the reduction of failure probabilities is reduced by increasing earthquake magnitudes and the reduction of fault distance. As soil softness increases, the failure probability of structures both with and without TMD often increases, especially for severe near-fault earthquake motion.
Isolation technology has been proven effective in reducing the seismic response of superstructures, where most of the deformation is concentrated in the isolation layer. However, in cases of earthquakes with intensities surpassing the fortification level of the area, or severe near-fault earthquakes, the isolation layer may experience excessive deformation, resulting in damage to the isolation bearings or collisions with the retaining wall or surrounding buildings. In this study, a finite element model using ABAQUS is established and compared with experimental test results to deeply investigate the influence of limit devices on the isolation layer and its response to the superstructure. The findings reveal that a larger limiter stiffness and a smaller reserved gap can achieve a more effective limiting effect. Nevertheless, a smaller reserved gap and a larger limiter stiffness may result in increased response of the superstructure. Therefore, rational selection of the reserved gap and limiter stiffness is crucial to reduce the acceleration response.
Performance of a prototype base isolated building located at Indian Institute of Technology, Guwahati (IITG) has been studied here. Two numbers of three storeyed single bay RCC framed prototype buildings were constructed for experimental purpose at IITG, one supported on conventional isolated footings and the other on a seismic isolation system, consisting of lead plug bearings. Force balance accelerometers and a 12 channel strong motion recorder have been used for recording building response during seismic events. Floor responses from these buildings show amplification for the conventional building while 60 to 70% reduction has been observed for the isolated building. Numerical models of both the buildings have been created in SAP2000 Nonlinear. Infill walls have been modeled as compression struts and have been incorporated into the 3D models using Gap elements. System identification of the recorded data has been carried out using Parametric State Space Modeling (N4SID) and the numerical models have been updated accordingly. The study demonstrates the effectiveness of base isolation systems in controlling seismic response of isolated buildings thereby leading to increased levels of seismic protection. The numerical models calibrated by relatively low level of earthquake shaking provides the starting point for modeling the non-linear response of the building when subjected to strong shaking.
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.
To date, shell-solid and fibre element model analysis are the most commonly used methods to investigate the seismic performance of concrete-filled steel tube (CFST) bridge piers. However, most existing research does not consider the loss of bearing capacity caused by the fracture of the outer steel tube. To fill this knowledge gap, a refined finite element (FE) model considering the ductile damage of steel tubes and the behaviour of infilled concrete with cracks is established and verified against experimental results of unidirectional, bidirectional cyclic loading tests and pseudo-dynamic loading tests. In addition, a parametric study is conducted to investigate the seismic performance of CFST bridge piers with different concrete strength, steel strength, axial compression ratio, slenderness ratio and infilled concrete height using the proposed model. The validation shows that the proposed refined FE model can effectively simulate the residual displacement of CFST bridge piers subjected to highintensity earthquakes. The parametric analysis indicates that CFST piers hold sufficient strength reserves and sound deformation capacity and, thus, possess excellent application prospects for bridge construction in high-intensity areas.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.5
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pp.1805-1813
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2010
This paper presented regarding an parametric study to investigate seismic capacity evaluation of semi-rigid steel frame infilled with composit panel. In order to propose the optimum retrofit of the steel frame, we analysed the various pattern of retrofitted steel frame subjected to weak/medium earthquake. Steel frame with composit panel was analysed by Time history analyses analysis. The model were analysed using the suites of ground motion developed by NEHRP project on steel moment resisting frame. These earthquakes consist of 20 horizontal ground acceleration record each, i.e., a 10%, 50% probability of accidence in a 50 year period. We considered the semi-rigid connection which are commonly used in field, and modeled the nonlinear connection element (GAP) between panel and frame. It was shown that how is the steel frame with composit panel effected. We also examined the response of retrofitted frame.
Double steel plate concrete composite shear wall (SCSW) has been widely utilized in nuclear power plants and high-rise structures, and its shear connectors have a substantial impact on the seismic performance of SCSW. Therefore, in this study, the mechanical properties of SCSW with angle stiffening ribs as shear connections were parametrically examined for the reactor containment structure of nuclear power plants. The axial compression ratio of the SCSW, the spacing of the angle stiffening rib arrangement and the thickness of the angle stiffening rib steel plate were selected as the study parameters. Four finite element models were constructed by using the finite element program named ABAQUS to verify the experimental results of our team, and 13 finite element models were established to investigate the selected three parameters. Thus, the shear capacity, deformation capacity, ductility and energy dissipation capacity of SCSW were determined. The research results show that: compared with studs, using stiffened ribs as shear connectors can significantly enhance the mechanical properties of SCSW; When the axial compression ratio is 0.3-0.4, the seismic performance of SCSW can be maximized; with the lowering of stiffener gap, the shear bearing capacity is greatly enhanced, and when the gap is lowered to a specific distance, the shear bearing capacity has no major affect; in addition, increasing the thickness of stiffeners can significantly increase the shear capacity, ductility and energy dissipation capacity of SCSW. With the rise in the thickness of angle stiffening ribs, the improvement rate of each mechanical property index slows down. Finally, the shear bearing capacity calculation formula of SCSW with angle stiffening ribs as shear connectors is derived. The average error between the theoretical calculation formula and the finite element calculation results is 8% demonstrating that the theoretical formula is reliable. This study can provide reference for the design of SCSW.
Shahabi, Ali Beirami;Ahari, Gholamreza Zamani;Barghian, Majid
Earthquakes and Structures
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v.19
no.1
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pp.17-28
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2020
In this paper, a modified and improved seismic isolation system called suspension columns for seismic isolation was investigated. An experimental study of the proposed isolation method, together with theoretical and numerical analyses, has thoroughly been conducted. In the proposed method, during the construction of the foundation, some cavities are created at the position of the columns inside the foundation and the columns are placed inside the cavities and hanged from the foundation by flexible cables rather being directly connected to the foundation. Since the columns are suspended and due to the gap between the columns and walls of the cavities, the structure is able to move freely to each side thus, the transmitted seismic actions are reduced. The main parameter of this isolation technique is the length of the suspension cable. As the cable length is changed, the natural frequency of the structure is also changed, thus, the desired frequency can be achieved by means of an appropriate cable length. As the experimental phase of the study, a steel frame structure with two floors was constructed and subjected to the acceleration of three earthquakes using a shaking table with different hanging cable lengths. The structural responses were recorded in terms of acceleration and relative displacement. The experimental results were compared to the theoretical and numerical ones, obtained from the MATLAB programming and the finite element software ABAQUS, showing a suitable agreement between them. The results confirm the effectiveness of the proposed isolation method in reducing the seismic effects on the structure.
This paper highlights a case study that investigates the behaviour of existing bridge, West Terrace Bridge, induced by horizontal seismic loading. Unfortunately the lack of past information related to seismic activity within the NSW region has made it difficult to understand better the capacity of the structure if Earthquake occurs. The research was conducted through the University of Western Sydney in conjunction with Railcorp Australia, as part of disaster reduction preparedness program. The focus of seismic analyses was on the assessment of stress behaviour, induced by cyclic horizontal/vertical displacements, within the concrete slab and steel truss of the bridge under various Earthquake Year Return Intervals (YRI) of 1-100, 1-200, 1-250, 1-500, 1-800, 1-1000, 1-1500, 1-2000 and 1-2500. Furthermore the stresses and displacements were rigorously analysed through a parametric study conducted using different boundary conditions. The numerical analysis of the concrete slab and steel truss were performed through the finite element software, ABAQUS. The field measurements and observation had been used to validate the results drawn from the finite element simulation. It was illustrated that under a YRI of 1/1000 the bottom chord of the steel truss failed as the stress induced surpassed the ultimate stress capacity and the horizontal displacement exceeded the allowable displacement measured in the field observations whereas the vertical displacement remained within the previously observed limitations. Furthermore the parametric studies in this paper demonstrate that a change in boundary conditions alleviated the stress distribution throughout the structure allowing it to withstand a greater load induced by the earthquake YRI but ultimately failed when the maximum earthquake loading was applied. Therefore it was recommended to provide a gap of 50mm on the end of the concrete slab to allow the structure to displace without increasing the stress in the structure. Finally, this study has proposed a design chart to showcase the failure mode of the bridge when subjected to seismic loading.
In this study, a new type of isolation bearing is proposed by combining S-shaped steel plate dampers (SSDs) with a spherical steel bearing, and the seismic control effect of a five-span standard high-speed railway bridge is investigated. The advantages of the proposed S-shaped steel damping friction bearing (SSDFB) are that it cannot only lengthen the structural periods, dissipate the seismic energy, but also prevent bridge unseating due to the restraint effectiveness of SSDs in the large relative displacements between the girders and piers. This study first presents a detailed description and working principle of the SSDFB. Then, mechanical modeling of the SSDFB was derived to fundamentally define its cyclic behavior and obtain key mechanical parameters. The numerical model of the SSDFB's critical component SSD was verified by comparing it with the experimental results. After that, parameter studies of the dimensions and number of SSDs, the friction coefficient, and the gap length of the SSDFBs were conducted. Finally, the longitudinal seismic responses of the bridge with SSDFBs were compared with the bridge with spherical bearing and spherical bearing with strengthened shear keys. The results showed that the SSDFB can not only significantly mitigate the shear force responses and residual displacement in bridge substructures but also can effectively reduce girder displacement and prevent bridge unseating, at a cost of inelastic deformation of the SSDs, which is easy to replace. In conclusion, the SSDFB is expected to be a cost-effective option with both multi-stage energy dissipation and restraint capacity, making it particularly suitable for seismic isolation application to high-speed railway bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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