Dutta, Sekhar Chandra;Murty, C.V.R.;Jain, Sudhir K.
Structural Engineering and Mechanics
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v.9
no.6
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pp.615-636
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2000
Some elevated water tanks have failed due to torsional vibrations in past earthquakes. The overall axisymmetric structural geometry and mass distribution of such structures may leave only a small accidental eccentricity between centre of stiffness and centre of mass. Such a small accidental eccentricity is not expected to cause a torsional failure. This paper studies the possibility of amplified torsional behaviour of elevated water tanks due to such small accidental eccentricity in the elastic as well as inelastic range; using two simple idealized systems with two coupled lateral-torsional degrees of freedom. The systems are capable of retaining the characteristics of two extreme categories of water tanks namely, a) tanks on staging with less number of columns and panels and b) tanks on staging with large number of columns and panels. The study shows that the presence of a small eccentricity may lead to large displacement of the staging edge in the elastic range, if the torsional-to-lateral time period ratio $({\tau})$ of the elevated tanks lies within a critical range of 0.7< ${\tau}$ <1.25. Inelastic behaviour study reveals that such excessive displacement in some of the reinforced concrete staging elements may cause unsymmetric yielding. This may lead to progressive strength deterioration through successive yielding in same elements under cyclic loading during earthquakes. Such localized strength drop progressively develop large strength eccentricity resulting in large localized inelastic displacement and ductility demand, leading to failure. So, elevated water tanks should have ${\tau}$ outside the said critical range to avoid amplified torsional response. The tanks supported on staging with less number of columns and panels are found to have greater torsional vulnerability. Tanks located near faults seem to have torsional vulnerability for large ${\tau}$.
Kalali, Hamed;Hajsadeghi, Mohammad;Zirakian, Tadeh;Alaee, Farshid J.
Steel and Composite Structures
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v.19
no.2
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pp.277-292
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2015
Previous research has shown that steel plate shear walls (SPSWs) are efficient lateral force-resisting systems against both wind and seismic loads. A properly designed SPSW can have high initial stiffness, strength, and energy absorption capacity as well as superior ductility. SPSWs have been commonly designed with unstiffened and stiffened infill plates based on economical and performance considerations. Recent introduction and application of corrugated plates with advantageous structural features has motivated the researchers to consider the employment of such elements in stiffened SPSWs with the aim of lowering the high construction cost of such high-performing systems. On this basis, this paper presents results from a numerical investigation of the hysteretic performance of SPSWs with trapezoidally corrugated infill plates. Finite element cyclic analyses are conducted on a series of flat- and corrugated-web SPSWs to examine the effects of web-plate thickness, corrugation angle, and number of corrugation half-waves on the hysteretic performance of such structural systems. Results of the parametric studies are indicative of effectiveness of increasing of the three aforementioned web-plate geometrical and corrugation parameters in improving the cyclic response and energy absorption capacity of SPSWs with trapezoidally corrugated infill plates. Increasing of the web-plate thickness and number of corrugation half-waves are found to be the most and the least effective in adjusting the hysteretic performance of such promising lateral force-resisting systems, respectively. Findings of this study also show that optimal selection of the web-plate thickness, corrugation angle, and number of corrugation half-waves along with proper design of the boundary frame members can result in high stiffness, strength, and cyclic performances of such corrugated-web SPSWs.
The frequencies formulas of the bridge are of great importance in the design process since these formulas provide insight dynamic characteristics of the structure, which guides the designers to parametric analyses and the layout of the bridge in conceptual or preliminary design. Continuous rigid frame bridge is popular in the mountainous area. Mostly, this type of bridge was simplified either as a girder or cantilever when calculating the frequency, however, studies showed that the different configuration of the bridge made the problem more complex, and there is no unified fundamental calculation pattern for this kind of bridge. In this study, an empirical frequency equation is proposed as a function of pier's height, stiffness of pier and the weight of the structure. A unified fundamental frequency formula is presented based on the energy principle, then the typical continuous rigid frame bridge is investigated by finite element method (FEM) to study the dynamic characteristics of the structure, and then several key parameters are investigated on the effect of structural frequency. These parameters include the number, position and stiffness of the tie beam. Nonlinear regression analyses are conducted with a comprehensive statistical study from plenty of engineering structures. Finally, the proposed frequency equation is validated by field test results. The results show that the fundamental frequency of the continuous rigid frame bridge increases more than 15% when the tie beams are set, and it increases with the stiffness ratio of tie beam to pier. The results also show that the presented unified fundamental frequency has an error of 4.6% compared with the measured results. The investigation can predicate the approximate longitudinal fundamental frequency of continuous ridged frame bridge, which can provide reference for the seismic response and dynamic impact factor design of the pier.
Following the companion paper (I. Comparisons with Well-known Seismic Code and Site Response Characteristics), several acceleration data recorded during recent earthquake events in Korea were analyzed to verify the suitability of the proposed two-parameters site classification system and the corresponding site coefficients. For all of rock-soil site pairs less than 30 km distant, response spectrums and corresponding site coefficients, $F_a$ and $F_v$, were determined. Unfortunately, some of data have an eccentric error, where the spectral acceleration of rock site is more amplified than that of soil site. The $F_a$ and $F_v$ for all of pairs except the pairs of error were compared with those in the current code and the proposed system. The $F_a$ and $F_v$ from the recorded motions show definitely different trend from that of the current code. In addition, the site coefficients from recorded motions at four 765 kV substation sites, which are several hundred meters distant, have a remarkably similar trend and absolute values to those in proposed two-parameters site classification system. Based on earthquake motions recorded in domestic areas including data from the four 765 kV substation sites, the two-parameters site classification and site coefficients are superior to the results obtained from the current Korean seismic code.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.4
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pp.567-576
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2017
In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre- defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this study, we define the damage states and damage indices of a cut-and-cover box tunnel which is one of typical structures used in metro systems, under a seismic excitation from a series of inelastic frame analyses. Three damage states are defined in terms of the number of plastic hinges that develop within the structure. The damage index is defined as the ratio of the elastic moment to the yield moment. Through use of the proposed index, the inelastic behavior and failure mechanism of box tunnels can be simulated and predicted through elastic analysis. In addition, the damage indices are linked to free-field shear strains. Because the free-field shear strain can be easily calculated from a 1D site response analysis, the proposed method can be readily used in practice. Further studies are needed to determine the range of shear strains and associated uncertainties for various types of tunnels and site profiles. However, the inter-linked platform of damage state - damage index - shear wave velocity - shear strain provides a novel approach for estimating the inelastic response of tunnels, and can be widely used in practice for seismic designs.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.1
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pp.63-72
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2020
The purpose of this study is to investigate the effects of the application of various numerical models and frequency contents of earthquakes on the performances of the reactor containment building (RCB) in a nuclear power plant (NPP) equipped with an advanced power reactor 1400. Two kinds of numerical models are developed to perform time-history analyses: a lumped-mass stick model (LMSM) and a full three-dimensional finite element model (3D FEM). The LMSM is constructed in SAP2000 using conventional beam elements with concentrated masses, whereas the 3D FEM is built in ANSYS using solid elements. Two groups of ground motions considering low- and high-frequency contents are applied in time-history analyses. The low-frequency motions are created by matching their response spectra with the Nuclear Regulatory Commission 1.60 design spectrum, whereas the high-frequency motions are artificially generated with a high-frequency range from 10Hz to 100Hz. Seismic responses are measured in terms of floor response spectra (FRS) at the various elevations of the RCB. The numerical results show that the FRS of the structure under low-frequency motions for two numerical models are highly matched. However, under high-frequency motions, the FRS obtained by the LMSM at a high natural frequency range are significantly different from those of the 3D FEM, and the largest difference is found at the lower elevation of the RCB. By assuming that the 3D FEM approximates responses of the structure accurately, it can be concluded that the LMSM produces a moderate discrepancy at the high-frequency range of the FRS of the RCB.
The purpose of this study is to discuss how strength and ductility of each system in low-rise reinforced concrete buildings composed of extremely brittle, shear and flexural failure lateral-load resisting systems have influence on seismic capacities of the overall system, which is based on nonlinear seismic response analyses of single-degree-of-freedom structural systems. In order to simulate the triple lateral-load resisting system, structures are idealized as a parallel combination of two modified origin-oriented hysteretic models and a degrading trilinear hysteretic model that fail primarily in extremely brittle, shear and flexure, respectively. Stiffness properties of three models are varied in terms of story shear coefficients, and structures are subjected to various ground motion components. By analyzing these systems, interaction curves of demand strengths of the triple system for various levels of ductility factors are finally derived for practical purposes. The result indicates that demand strength levels derived can be used as a basic information for seismic evaluation and design criteria of low-rise reinforced concrete buildings having the triple lateral-load resisting system.
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.
Jin-Soo Kim;Jae-Bong Park;Kwang-Rim Park;Dong-Uk Park;Sung-Wan Kim
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.5
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pp.120-129
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2023
Hanger cable tension is a major response that can determine the integrity and safety of suspension bridges. In general, the vibration method is used to estimate hanger cable tension on operational suspension bridges. It measures natural frequencies from hanger cables and indirectly estimates tension using the geometry conditions of the hanger cables. This study estimated the hanger cable tension of the Palyeong Bridge using a vision-based system. The vision-based system used digital camcorders and tripods considering the convenience and economic efficiency of measurement. Measuring the natural frequencies for high-order modes required for the vibration method is difficult because the hanger cable response measured using the vision-based system is displacement-based. Therefore, this study proposed a back analysis technique for estimating tension using the natural frequencies of low-order modes. Optimization for the back analysis technique was performed by defining the difference between the natural frequencies of hanger cables measured in the field and those calculated using finite element analysis as the objective function. The direct search method that does not require the partial derivatives of the objective function was applied as the optimization method. The reliability and accuracy of the back analysis technique were verified by comparing the tension calculated using the method with that estimated using the vibration method. Tension was accurately estimated using the natural frequencies of low-order modes by applying the back analysis technique.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.5
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pp.47-56
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2008
This study was performed to evaluate the effect of Response modification factors (R-factor) in 3-, 9- and 20- story steel Moment Resisting Frame (MRF) buildings. Each structure was designed using a R-factor of 8, as tabulated in the 2000 International Building Code provision (IBC 2000) and Korea Building Code (KBC) 2008. In order to evaluate the maximum and minimum performance expected for such structures, an upper bound and lower bound design were adopted for each model. Next, each analytical model was designed using different R-factors (8, 9, 10, 11, 12) and four different structural periods with the original fundamental period. For a detailed case study, a total of 150 analytical models were subjected to 20 ground motions representing a hazard level with a 2% probability of being exceeded in 50 years. In order to evaluate the performance of the structures, static push-over and non-linear time history analysis (NTHA) were performed, and displacement ductility demand was investigated to consider the ductility capacity of the structures. The results show that the dynamic behaviors for the 3- and 9-story buildings are relatively stable and conservative, while the 20-story buildings show a large displacement ductility demand due to dynamic instability factors. (e.g. P-delta effect and high mode effect)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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