This paper contains detailed descriptions of a dynamic time-history modal analysis to calculate deflection, inter-storey drift and storey shear demand in single-storey and multi-storey buildings using an EXCEL spreadsheet. The developed spreadsheets can be used to obtain estimates of the dynamic response parameters with minimum input information, and is therefore ideal for supporting the conceptual design of tall building structures, or any other structures, in the early stages of the design process. No commercial packages, when customised, could compete with spreadsheets in terms of simplicity, portability, versatility and transparency. An innovative method for developing the stiffness matrix for the lateral load resistant elements in medium-rise and high-rise buildings is also introduced. The method involves minimal use of memory space and computational time, and yet allows for variations in the sectional properties of the lateral load resisting elements up the height of the building and the coupling of moment frames with structural walls by diaphragm action. Numerical examples are used throughout the paper to illustrate the development and use of the spreadsheet programs.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.6
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pp.351-358
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2020
This paper presents a tuned mass damper (TMD) utilizing a parametric design technique to reduce the dynamic responses to seismic loads of retractable large spatial structures. An artificial intelligence algorithm was developed to automatically search for the installation position of the damping device. This enables confirming the dynamic response of the structure in real time while finding the optimum position for the damping device. Further, the optimum mass of the damping device is determined from among several alternatives, and a design that can be effectively applied to both open and closed conditions of the roof is obtained.
In near-fault earthquake prone areas, the velocity pulse-like seismic waves often results in excessive horizontal displacement for structures, which may result in severe structural failure during large or near-fault earthquakes. The recently developed isolator-gap damper (IGD) systems provide a solution for the large horizontal displacement of long period base-isolated structures. However, the hysteresis characteristics of the IGD system are significantly different from the traditional hysteretic behavior. At present, the hysteretic behavior is difficult to be reflected in the structural analysis and performance evaluation especially under random earthquake excitations for lacking of effective analysis models which prevent the application of this kind of IGD system. In this paper, we propose a mathematical hysteretic model for the IGD system that presents its nonlinear hysteretic characteristics. The equivalent linearization is conducted on this nonlinear model, which requires the variances of the IGD responses. The covariance matrix for the responses of the structure and the IGD system is obtained for random earthquake excitations represented by the Kanai-Tajimi spectrum by solving the Lyapunov equation. The responses obtained by the equivalent linearization are verified in comparison with the nonlinear responses by the Monte Carlo simulation (MCS) analysis for random earthquake excitations.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.26
no.1
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pp.19-28
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2013
In a shear wall-frame structural system, the structural response is determined by the interaction between the shear wall in bending mode and the frame in shear mode. In order to effectively consider these characteristics of a shear wall-frame structure, the simplified numerical model using the T-shape rigid body was suggested in the previous study. Based on the previously proposed model, an efficient numerical model for a wall-frame structure with an eccentric core has been proposed in this study. To this end, the previously proposed 2D model is extended to the 3D model and it is enhanced by considering torsion effects. As a result, the enhanced model can be applied to the analysis of a wall-frame structure with an eccentric core as well as a centric core.
Kim, Sun-Pil;Kim, Doo-Kie;Kwak, Hyo-Gyoung;Ko, Sung-Hyuk
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.3
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pp.255-264
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2007
In the current domestic and overseas standards concerning seismic design, especially on the capacity & demand spectra in the multi-story building, failure is caused more by story drift than by displacement; and the existing capacity spectrum method (CSM) does not make a close estimate of story drift because response is derived using displacement. Therefore, this paper proposes an improved CSM to estimate story drift and its direct effect on the collapse of structures, yet still maintaining the same advantage and convenience of the existing CSM about a most basic model of multi-story building: shear building. To establish its reliability, the proposed method is applied to an example model and results are then compared with those obtained through nonlinear time-history analysis.
In seismic analysis of moment-resisting frames, beam-column connections are often modeled with rigid joint zones. However, it has been demonstrated that, in ductile reinforced concrete (RC) moment-resisting frames designed based on current codes (to say nothing of older non-ductile frames), the joint zones are in fact not rigid, but rather undergo significant shear deformations that contribute greatly to global drift. Therefore, the "rigid joint" assumption may result in misinterpretation of the global performance characteristics of frames and could consequently lead to miscalculation of strength and ductility demands on constituent frame members. The primary objective of this paper is to propose a rational method for estimating the hysteretic joint shear behavior of RC connections and for incorporating this behavior into frame analysis. The authors tested four RC edge beam-column-slab connection subassemblies subjected to earthquake-type lateral loading; hysteretic joint shear behavior is investigated based on these tests and other laboratory tests reported in the literature. An analytical scheme employing the modified compression field theory (MCFT) is developed to approximate joint shear stress vs. joint shear strain response. A connection model capable of explicitly considering hysteretic joint shear behavior is then formulated for nonlinear structural analysis. In the model, a joint is represented by rigid elements located along the joint edges and nonlinear rotational springs embedded in one of the four hinges linking adjacent rigid elements. The connection model is able to well represent the experimental hysteretic joint shear behavior and overall load-displacement response of connection subassemblies.
Historical buildings in seismically active regions are severely damaged by earthquakes, since they certainly were not designed by the original builders to withstand seismic effects. In particular the reports after major ground motions indicate that earthquake-induced pounding between buildings may lead to substantial damage or even collapse of colliding structures. The research on structural pounding during earthquakes has been recently much advanced, although most of the studies are conducted on simplified single degree of freedom systems. In this paper a detailed pounding-involved response analysis of three adjacent structures is performed, concerning the main bodies of the "Quinto Orazio Flacco" school. The construction includes a main masonry building, with an M-shaped plan, and a reinforced concrete building, separated from the masonry one and realized along its free perimeter. By the analysis of the capacity curves obtained by suitable pushover procedures performed separately for each building, it emerges that masonry and reinforced concrete buildings are vulnerable to earthquake-induced structural pounding in the longitudinal direction. In particular, due to the geometric configuration of the school, a special case of impact between the reinforced concrete structure and two parts of the masonry building occurs. In order to evaluate the pounding-involved response of three adjacent structures, in this paper a numerical procedure is proposed, programmed using MATLAB software. Both a non-linear viscoelastic model to simulate impact and an elastic-perfectly plastic approximation of the storey shear force-drift relation are assumed, differently from many commercial softwares which admit just one non-linearity.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.539-545
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2016
UPS system in the liquefied natural gas(LNG) receiving terminal is one of the fundamental equipment that need to sustain operation during earthquake. In this study, modal identification test of UPS system was performed based on IEEE Std. 693-2005 and natural frequencies and modal damping, mode shapes had been identified. In addition, tri-axial time history test was performed to check the behavior and stress of the equipment during earthquake. Eigenvalue analysis was performed and analysis model was modified by reflecting the results of the test. Static analysis by dead weight and response spectrum analysis were performed to compare the combined stresses with the stress results of test. Dynamic characteristics and combined stresses under seismic load condition of the improved analysis model were similar to the test results and in this regard the compatibility was proved.
The railway is widely used to transport passengers and freight due to its punctuality and large transport capacity. The recent remarkable development in construction technology enables various subsea railway tunnels for continent-continent or continent-island connectivity. In Korea, design and construction experience is primarily based on the successful completion of the Boryeong subsea tunnel (2021) and the Gadeok subsea tunnel (2010). However, frequent earthquakes with diverse magnitudes, globally induced and continuously increased the awareness of seismic risks and the frequency of domestic earthquakes. The effect of an earthquake on the subsea tunnel is very complicated. However, ground conditions and seismic waves are considered the main factors. This study simulated four ground types of 3-dimensional numerical models, such as soil, rock, composite, and fractured zone, to analyze the effect of ground type and seismic wave. A virtual subsea railway shield tunnel considering external water pressure was modeled. Further, three different seismic waves with long-term, short-term, and both periods were studied. The dynamic analyses by finite difference method were performed to investigate the displacement and stress characteristics. Consequently, the long-term period wave exhibited a predominant lateral displacement response in soil and the short-term period wave in rock. The artificial wave, which had both periodic characteristics, demonstrated predominant in the fractured zone. The effect of an earthquake is more noticeable in the stress of the tunnel segment than in displacement because of confining effect of ground and structural elements in the shield tunnel.
Evaluation of earthquake impacts in settlements with a high risk of earthquake occurrence is important for the determination of site-specific dynamic soil parameters and earthquake-resistant structural planning. In this study, dynamic soil properties of Karliova (Bingol) city center, located near to the intersection point of the North Anatolian Fault Zone and the East Anatolian Fault Zone and therefore having a high earthquake risk, were investigated by one-dimensional equivalent linear site response analysis. From ground response analyses, peak ground acceleration, predominant site period, 0.2-sec and 1-sec spectral accelerations and soil amplification maps of the study area were obtained for both near-field and far-field earthquake effects. The average acceleration spectrum obtained from analysis, for a near-field earthquake scenario, was found to exceed the design spectra of the Turkish Earthquake Code and Eurocode 8. Yet, the average acceleration spectrum was found to remain below the respective design spectra of the two codes for the far-field earthquake scenario. According to both near- and far-field earthquake scenarios in the study area, the low-rise buildings with low modal vibration durations are expected to be exposed to high spectral acceleration values and high-rise buildings with high modal vibration durations will be exposed to lower spectral accelerations. While high amplification ratios are observed in the north of the study area for the near-distance earthquake scenario, high amplification ratios are observed in the south of the study area for the long-distance earthquake scenario.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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