Roy, Bijan K.;Chakraborty, Subrata;Mishra, Sudib K.
Earthquakes and Structures
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v.10
no.6
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pp.1451-1465
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2016
The effectiveness of base isolation (BI) systems for mitigation of seismic vibration of bridges have been extensively studied in the past. It is well established in those studies that the performance of BI system is largely dependent on the characteristics of isolator yield strength. For optimum design of such systems, normally a standard nonlinear optimization problem is formulated to minimize the maximum response of the structure, referred as Stochastic Structural Optimization (SSO). The SSO of BI system is usually performed with reference to a problem of unconstrained optimization without imposing any restriction on the maximum isolator displacement. In this regard it is important to note that the isolator displacement should not be arbitrarily large to fulfil the serviceability requirements and to avoid the possibility of pounding to the adjacent units. The present study is intended to incorporate the effect of excessive isolator displacement in optimizing BI system to control seismic vibration effect of bridges. In doing so, the necessary stochastic response of the isolated bridge needs to be optimized is obtained in the framework of statistical linearization of the related nonlinear random vibration problem. A simply supported bridge is taken up to elucidate the effect of constraint condition on optimum design and overall performance of the isolated bridge compared to that of obtained by the conventional unconstrained optimization approach.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.795-800
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2007
In the previous study, a simple but effective analysis procedure, named as an Improved Modal Pushover Analysis (IMPA) was proposed to estimates the seismic capacities of multi-span continuous bridge structures, on the basis of the modal pushover analysis which considers all the dynamic modes of a structure. Differently from other previous studies, IMPA maintains the simplicity of the capacity-demand curve method and also gives a better estimation of the maximum dynamic response of a structure. Nevertheless, its applicability has never been approved for multi-span continuous bridges with large differences in the length of their adjacent piers. This paper, accordingly, concentrates on a parametric study to verify the efficiency and limitation in application of IMPA through a correlation study between various analytical models including the Equivalent Single Degree Of Freedom (ESDOF) and Modal Pushover Analysis (MPA) usually used in the seismic design of structures. Based on the obtained numerical results, this paper introduces a practical guidance and/or limitation for using IMPA to predict the seismic response of a bridge effectively.
Jilei Hu;Luoyan Wang;Wenxiang Shen;Fengjun Wei;Rendong Guo;Jing Wang
Earthquakes and Structures
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v.25
no.2
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pp.135-148
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2023
The structure-soil-structure interaction (SSSI) effect in adjacent structures may affect the liquefaction-induced damage of shallow foundation structures. The existing studies only analysed the independent effects on the structural dynamic response but ignored the coupling effect of height difference and distance of adjacent structures (F) on liquefied foundations on the dynamic response. Therefore, this paper adopts finite element and finite difference coupled dynamic analysis method to discuss the effect of the F on the seismic response of shallow foundation structures. The results show that the effect of the short structure on the acceleration response of the tall structure can be neglected as F increases when the height difference reaches 2 times the height of the short structure. The beneficial effect of SSSI on short structures is weakened under strong seismic excitations, and the effect of the increase of F on the settlement ratio gradually decreases, which causes a larger rotation hazard. When the distance is smaller than the foundation width, the short structure will exceed the rotation critical value and cause structural damage. When the distance is larger than the foundation width, the rotation angle is within the safe range (0.02 rad).
Seismic performance is particularly important for life-line structures, especially for long-span transmission tower line system subjected to multi-component ground motions. However, the influence of multi-component seismic loads and the coupling effect between supporting towers and transmission lines are not taken into consideration in the current seismic design specifications. In this research, shake table tests are conducted to investigate the performance of long-span transmission tower-line system under multi-component seismic excitations. For reproducing the genuine structural responses, the reduced-scale experimental model of the prototype is designed and constructed based on the Buckingham's theorem. And three commonly used seismic records are selected as the input ground motions according to the site soil condition of supporting towers. In order to compare the experimental results, the dynamic responses of transmission tower-line system subjected to single-component and two-component ground motions are also studied using shake table tests. Furthermore, an empirical model is proposed to evaluate the acceleration and member stress responses of transmission tower-line system subjected to multi-component ground motions. The results demonstrate that the ground motions with multi-components can amplify the dynamic response of transmission tower-line system, and transmission lines have a significant influence on the structural response and should not be neglected in seismic analysis. The experimental results can provide a reference for the seismic design and analysis of long-span transmission tower-line system subjected to multi-component ground motions.
An, Hyojoon;Park, Ki-Tae;Jung, Kyu-San;Kim, Yu-Hee;Lee, Jong-Han
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.6
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pp.177-184
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2021
In recent years, large-scale earthquake activity has occurred in Korea, and thus public interest in earthquakes is increasing. Accordingly, the importance of seismic performance management of structures is emerging. In particular, the collapse of a bridge, one of main road facilities, directly leads to many casualties. Therefore, engineers need to evaluate the seismic fragility of the bridge and prepare for the earthquake event. The service life of these bridges has been over 30 years, which requires a study on the aging effect on bridges. In this study, seismic analysis of the target RC slab bridge was performed considering the aging effects of each component of the bridge. Components of the bridge included pier and bearing, which dominate the seismic response of the bridge. The seismic performance of the bridge was evaluated using nonlinear static and dynamic analyses. In addition, the limit state and dynamic response of each component were used to evaluate the seismic fragility according to the aging of each component.
In past major earthquakes (1994 Northridge, 1995 Kobe, Chi-Chi 1999, Kocaeli 1999), significant damages occurred in the liquid storage tanks. The basic failure patterns were observed to be the buckling of the tank wall and uplift of the anchorage system. The damages in the industrial facilities and nuclear power plants have caused the spread of toxic substances to the environment and significant fires. Seismic isolation can be used in liquid storage tanks to decouple the structure and decrease the structural demand in the superstructure in case of ground shaking. Previous studies on the use of seismic isolation systems on liquid storage tanks show that an isolation system reduces the impulsive response but might slightly increase the convective one. There is still a lack of understanding of the seismic response of seismically isolated liquid storage tanks considering the fluid-structure interaction. In this study, one broad tank, one medium tank, and one slender tank are selected and designed. Two- and three-dimensional elastomeric bearings are used as seismic isolation systems. The seismic performance of the tanks is then investigated through nonlinear dynamic time-history analyses. The effectiveness of each seismic isolation system on tanks' performance was investigated. Isolator tension forces, modal analysis results, hydrodynamic stresses, strains, sloshing heights and base shear forces of the tanks are compared. The results show that the total base shear is lower in 3D-isolators compared to 2D-isolators. Even though the tank wall stresses, and strains are slightly higher in 3D-isolators, they are more efficient to prevent the tension problem.
In this paper, we present an alternative seismic design strategy for cable stayed bridges with concrete pylons when subjected to strong ground motions. The comparison of conventional seismic design using supplemental dampers (strategy A) and the new strategy using nonlinear seismic design of pylon columns (strategy B) is exemplified by one typical medium span cable stayed bridge subjected to strong ground motions from 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake and 2008 China Wenchuan earthquake. We first conducted the optimization of damper parameters according to strategy A in response to the distinct features that strong ground motions contain. And then we adopted strategy B to carry out seismic analysis by introducing the elastic-plastic elements that allowing plasticity development in the pylon columns. The numerical results show that via strategy A, the earthquake induced structural responses can be kept in the desired range provided with the proper damping parameters, however, the extra cost of unusual dampers will be inevitable. For strategy B, the pylon columns may not remain elastic and certain plasticity developed, but the seismic responses of the foundation will be greatly decreased, meanwhile, the displacement at the top of pylon seems to be not affected much by the yielding of pylon columns, which indicates the pylon nonlinear design can be an alternative design strategy when strong ground motions have to be considered for the bridge.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.5
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pp.203-209
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2022
A simplified method for earthquake response analysis of a rectangular liquid storage tank is proposed with fluid-structure interaction considered. In order to simplify the complex three-dimensional structural behavior of a rectangular liquid storage tank, it is assumed that structural deformation does not occur in the plane parallel to the direction in which the earthquake ground motion is applied but in the plane perpendicular to the direction. The structural deformation is approximated by combining the natural modes of the simple beam and the cantilever beam. The hydrodynamic pressure, the structure's mass and stiffness, and the hydrodynamic pressure's added mass are derived by applying the Rayleigh-Ritz method. The natural frequency, structural deformation, pressure, effective mode mass, and effective mode height of the rectangular liquid storage tank are obtained. The structural displacement, hydrodynamic pressure, base shear, and overturning moment are calculated. The seismic response analysis of an example rectangular liquid storage tank is performed using the proposed simplified approach, and its accuracy is verified by comparing the results with the reference solution by the finite element method. Existing seismic design codes based on the hydrodynamic pressure in rigid liquid storage tanks are observed to produce results with significant errors that cannot be ignored.
Rojas-Mercedes, Norberto;Erazo, Kalil;Di Sarno, Luigi
Earthquakes and Structures
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v.22
no.5
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pp.503-515
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2022
This paper presents the development of seismic fragility curves for a precast reinforced concrete bridge instrumented with a structural health monitoring (SHM) system. The bridge is located near an active seismic fault in the Dominican Republic (DR) and provides the only access to several local communities in the aftermath of a potential damaging earthquake; moreover, the sample bridge was designed with outdated building codes and uses structural detailing not adequate for structures in seismic regions. The bridge was instrumented with an SHM system to extract information about its state of structural integrity and estimate its seismic performance. The data obtained from the SHM system is integrated with structural models to develop a set of fragility curves to be used as a quantitative measure of the expected damage; the fragility curves provide an estimate of the probability that the structure will exceed different damage limit states as a function of an earthquake intensity measure. To obtain the fragility curves a digital twin of the bridge is developed combining a computational finite element model and the information extracted from the SHM system. The digital twin is used as a response prediction tool that minimizes modeling uncertainty, significantly improving the predicting capability of the model and the accuracy of the fragility curves. The digital twin was used to perform a nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) with selected ground motions that are consistent with the seismic fault and site characteristics. The fragility curves show that for the maximum expected acceleration (with a 2% probability of exceedance in 50 years) the structure has a 62% probability of undergoing extensive damage. This is the first study presenting fragility curves for civil infrastructure in the DR and the proposed methodology can be extended to other structures to support disaster mitigation and post-disaster decision-making strategies.
In this study, the performances of a passive tuned mass damper (TMD) and a semi-active TMD (STMD) were evaluated in terms of seismic response control of elastic and inelastic structures under seismic loads. First, elastic displacement spectra were obtained for damped structures with a passive TMD and with a STMD proposed in this study. The displacement spectra confirmed that the STMD provided much better control performance than passive TMD and the STMD had less stroke requirement. Also, the robustness of the TMD was evaluated by off-tuning the frequency of the TMD to that of the structure. Finally, numerical analyses were conducted for an inelastic structure of hysteresis described by the Bouc-Wen model. The results indicated that the performance of the passive TMD whose design parameters were optimized for an elastic structure considerably deteriorated when the hysteretic portion of the structural responses increased, and that the STMD showed about 15-40% more response reduction than the TMD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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