This article deals with the dynamic analysis in pad concrete foundation containing Silica nanoparticles (SiO2) subject to seismic load. In order to control the foundation smartly, a piezoelectric layer covered the foundation. The weight of the building by a column on the foundation is assumed with an external force in the middle of the structure. The foundation is located in soil medium which is modeled by spring elements. The Mori-Tanaka law is utilized for calculating the equivalent mechanical characteristics of the concrete foundation. The Kevin-Voigt model is adopted to take into account the structural damping. The concrete structure is modeled by a thick plate and the governing equations are deduced using Hamilton's principle under the assumption of higher-order shear deformation theory (HSDT). The differential quadrature method (DQM) and the Newmark method are applied to obtain the seismic response. The effects of the applied voltage to the smart layer, agglomeration and volume percent of SiO2 nanoparticles, damping of the structure, geometrical parameters and soil medium of the structure are assessed on the dynamic response. It has been demonstrated by the numerical results that by applying a negative voltage, the dynamic deflection is reduced significantly. Moreover, silica nanoparticles reduce the dynamic deflection of the concrete foundation.
Domizio, Martin N.;Ambrosini, Daniel;Curadelli, Oscar
Smart Structures and Systems
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v.24
no.4
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pp.447-457
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2019
The use of Tuned mass dampers (TMD) has proved to be effective in reducing the effects of vibrations caused by wind loads and far-field seismic action. However, its effectiveness in controlling the dynamic response of structures under near-fault earthquakes is still under discussion. In this case, the uncertainty about the TMD performance arises from the short significant duration of near-fault ground motions. In this work, the TMD effectiveness for increasing the safety margin against collapse of structures subjected to near-fault earthquakes is investigated. In order to evaluate the TMD performance in the proposed scenario, the nonlinear dynamic response of two reinforced concrete (RC) frames was analyzed. TMDs with different mass values were added to these structures, and a set of near-fault records with frequency content close to the fundamental frequency of the structure was employed. Through a series of nonlinear dynamic analysis, the minimum amplitude of each seismic record that causes the structural collapse was found. By comparing this value, called collapse acceleration, for the case of the structures with and without TMD, the benefit produced by the addition of the control device was established.
Hidayat, Banu A.;Hu, Hsuan-Teh;Hsiao, Fu-Pei;Han, Ay Lie;Pita, Panapa;Haryanto, Yanuar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.6
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pp.485-498
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2020
Non-ductile detailing of Reinforced Concrete (RC) frames may lead to structural failure when the structure is subjected to earthquake response. These designs are generally encountered in older RC frames constructed prior to the introduction of the ductility aspect. The failure observed in the beam-column joints (BCJs) and accompanied by excessive column damage. This work examines the seismic performance and failure mode of non-ductile designed RC columns and exterior BCJs. The design was based on the actual building in Tainan City, Taiwan, that collapsed due to the 2016 Meinong earthquake. Hence, an experimental investigation using cyclic testing was performed on two columns and two BCJ specimens scaled down to 50%. The experiment resulted in a poor response in both specimens. Excessive cracks and their propagation due to the incursion of the lateral loads could be observed close to the top and bottom of the specimens. Joint shear failure appeared in the joints. The ductility of the member was below the desired value of 4. This is the minimum number required to survive an earthquake with a similar magnitude to that of El Centro. The evidence provides an understanding of the seismic failure of poorly detailed RC frame structures.
In this paper, a numerical simulation study was conducted on the seismic behavior and ductility demand of single-degree-of-freedom (SDOF) systems with partially self-centering hysteresis. Unlike fully self-centering systems, partially self-centering systems display noticeable residual displacement after unloading is completed. Such partially self-centering behavior has been observed in a number of recently researched self-centering structural systems with energy dissipation devices. It is thus of interest to examine the seismic performance such as ductility demand of partially self-centering systems. In this study, a modified flag-shaped hysteresis model with residual displacement is proposed to represent the hysteretic behavior of partially self-centering structural systems. A parametric study considering the effect of variations in post-yield stiffness ratio, energy dissipation coefficient, and residual displacement ratio on the displacement ductility demand of partially self-centering systems was conducted using a suite of 192 scaled ground motions. The results of this parametric study reveal that increasing the post-yield stiffness, energy dissipation coefficient or residual displacement ratio of the partially self-centering systems generally leads to reduced ductility demand, especially for systems with lower yield strength.
Many types of passive control devices have been recognized as effective tools for improving the seismic resistance of structures. A lot of past research has been carried out to study the response of structures equipped with energy-absorbing devices by assuming that the behavior of the beam-column systems are linearly elastic. However, linear theory may not be adequate for beams and columns during severe earthquakes. This paper presents the results of research on the nonlinear responses of structures with and without added passive devices under earthquakes. A new material model based on the plasticity theory and the two-surface model for beams and columns under six components of forces is proposed to predict the nonlinear behavior of beam-column systems. And a new nonlinear beam element in consideration of shear deformation is developed to analyze the beams and columns of a structure. Numerical results reveal that linear assumption may not be appropriate for beams and columns under seismic loadings, especially for unexpectedly large earthquakes. Also, it may be necessary to adopt nonlinear beam elements in the analysis and design process to assure the safety of structures with or without the control of devices.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.04b
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pp.347-354
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2000
The seismic behaviors of a bridge system with several simple spans are examined to see the effects of the longitudinal stiffness degradation due to abutment-soil interaction. The abutment-backfill system is modeled as one degree-of-freedom-system with nonlinear spring and linear damper. various soil-conditions surrounding the abutment such as loose sand, medium dense sand, and dense sand are considered in the bridge seismic analysis. The idealized mechanical model for the whole bridge system is modeled by adopting the multiple-degree-of-freedom system, which can consider components such as pounding phenomena, friction at the movable supports, rotational and translational motions of foundations, and the nonlinear pier motions. The stiffness of the abutment is found to be rapidly reduced at the beginning of the earthquakes, and to be converged to constant values shortly after the displacement approaches to the Predefined critical values. It is observed that the maximum relative distanced an maximum relative displacements are generally Increased as the relative density of a soil decreases As the peak ground acceleration increases, the response ratio of the case considering stiffness degradation to the case considering constant stiffness decreases.
In this paper, Simple Adaptive Control (SAC) is used to enhance the seismic response of nonlinear tall buildings based on acceleration feedback. Semi-active MR dampers are employed as control actuator due to their reliability and well-known dynamic models. Acceleration feedback is used because of availability, cost-efficiency and reliable measurements of acceleration sensors. However, using acceleration feedback in the control loop causes the structure not to apparently meet some requirements of the SAC algorithm. In addition to defining an appropriate SAC reference model and using inherently stable MR dampers, a modification in the original structure of the SAC is proposed in order to improve its adaptability to the situation in which the plant does not satisfy the algorithm's stability requirements. To investigate the performance of the developed control system, a numerical study is conducted on the benchmark 20-story nonlinear building and the responses of the SAC-controlled structure are compared to an $H_2/LQG$ clipped-optimal controller under the effect of different seismic excitations. As indicated by the results, SAC controller effectively reduces the story drifts and hence the seismically-induced damage throughout the structural members despite its simplicity, independence of structural parameters and while using fewer number of dampers in contrast with the $H_2/LQG$ clipped-optimal controller.
In this article, one of the procedures to design viscous dampers proposed in literature is applied to 3D asymmetric-plan buildings, considering different distributions for the damping coefficients, which are assumed to be proportional to specific structural or response parameters. The main purpose was to investigate the effectiveness of different vertical and in-plan distributions of the damping coefficients of nonlinear viscous dampers for the seismic retrofit of existing buildings. For comparison purposes, all the distributions were applied utilizing both a simplified and an extended method for the 3D structures, where the simplified method takes into account only the translation in the seismic direction, and the extended method considers the translations along the two orthogonal directions together with the floor rotations. The proposed distributions were then applied to a typical case study involving an asymmetric-plan six-storey RC building. The effectiveness of the different distributions was examined through time-history analyses, assuming nonlinear behaviour for both the viscous dampers and the structural elements. The results of the nonlinear dynamic analyses were examined in terms of maximum and residual inter-storey drifts, peak floor accelerations and maximum damper forces.
A number of studies have suggested that the use of high ductile and high shear materials, such as Engineered Cementitious Composites (ECC) and High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites (HPFRCC), significantly enhances the shear capacity of structural elements, even with/without shear reinforcements. The present study emphasizes the development of a nonlinear model of shear behaviour of a HPFRCC panel for application to the seismic retrofit of reinforced concrete buildings. To model the shear behaviour of HPFRCC panels, the original Modified Compression Field Theory (MCFT) for conventional reinforced concrete panels has been newly revised for reinforced HPFRCC panels, and is referred to here as the HPFRCC-MCFT model. A series of experiments was conducted to assess the shear behaviour of HPFRCC panels subjected to pure shear, and the proposed shear model has been verified through an experiment involving panel elements under pure shear. The proposed shear model of a HPFRCC panel has been applied to the prediction of seismic retrofitted reinforced concrete buildings with in-filled HPFRCC panels. In retrofitted structures, the in-filled HPFRCC element is regarded as a shear spring element of a low-rise shear wall ignoring the flexural response, and reinforced concrete elements for beam or beam-column member are modelled by a finite plastic hinge zone model. An experimental study of reinforced concrete frames with in-filled HPFRCC panels was also carried out and the analysis model was verified with correlation studies of experimental results.
The engineering background of this article is an ancient wooden building with extremely high historic and cultural values in Tibet. A full understanding of the dynamic behaviour of this historic building under in-service environments is the basis to assess the condition of the structure, especially its responses to earthquake, environmental and operational loading. A dynamic monitoring system has been installed in the building for over one year and the large amounts of high quality data have been obtained. The paper aims at studying the dynamic behaviour of the wooden building in seismic and operational conditions using the field monitoring data. Specifically the effects of earthquake and crowd loading on the structure's dynamic response are investigated. The monitoring data are decomposed into principal components using the Singular Spectrum Analysis (SSA) technique. The relationship between the average acceleration amplitude and frequencies of the principle components and operational conditions has been discussed. One main contribution is to understand the health condition of complex ancient building based on large databases collected on the field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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