The structural dynamic behavior and yield strength considering both ductility and strain rate effects are analyzed in this article. For the single-degree-of-freedom (SDOF) system, the relationship between the relative velocity and the strain rate response is deduced and the strain rate spectrum is presented. The ductility factor can be incorporated into the strain rate spectrum conveniently based on the constant-ductility velocity response spectrum. With the application of strain rate spectrum, it is convenient to consider the ductility and strain rate effects in engineering practice. The modal combination method, i.e., square root of the sum of the squares (SRSS) method, is employed to calculate the maximum strain rate of the elastoplastic multiple-degree-of-freedom (MDOF) system under uniform excitation. Considering the spatially varying ground motions, a new response spectrum method is developed by incorporating the ductility factor and strain rate into the conventional response spectrum method. In order to further analyze the effects of strain rate and ductility on structural dynamic behavior and yield strength, the cantilever beam (one-dimensional) and the triangular element (two-dimensional) are taken as numerical examples to calculate their seismic responses in time domain. Numerical results show that the permanent displacements with and without considering the strain rate effect are significantly different from each other. It is not only necessary in theory but also significant in engineering practice to take the ductility and strain rate effects into consideration.
The use of structural control devices to minimize structural response to seismic/dynamic excitations has attracted increased attention in recent years. The use of magnetorheological (MR) dampers as a control device have captured the attention of researchers in this field due to its flexibility, adaptability, easy control, and low power requirement compared to other control devices. However, little attention has been paid to the effect of configuration and number of dampers installed in a structure on responses reduction. This study assesses the control of a five-story structure using one and two MR dampers at different stories to determine the optimal damper positions and configurations based on performance indices. This paper also addresses the fail-safe current value to be applied to the MR damper at each floor in the event of feedback or control failure. The model is mathematically simulated in SIMULINK/MATLAB environment. Linear control strategies for current at 0 A, 0.5 A, 1 A, 1.5 A, 2 A, and 2.5 A are implemented for MR dampers, and the response of the structure to these control strategies for different configurations of dampers is compared with the uncontrolled structure. Based on the performance indices, it was concluded that the dampers should be positioned starting from the ground floor, then the 2nd floor followed by 1st and rest of the floors sequentially. The failsafe value of current for MR dampers located in lower floors (G+1) should be kept at a higher value compared to dampers at top floors for effective passive control of multi-story structures.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.2
s.54
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pp.47-56
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2007
In this study, tile performance of a passive tuned mass damper (TMD) and a semi-active tuned mass damper (STMD) was evaluated in terms of seismic response control of elastic and inelastic structures under seismic loads. First, elastic displacement spectra were obtained for the damped structures with a passive TMD, which was optimally designed using the frequency and damping ratio presented by previous study, and with a STMD proposed in this study. The displacement spectra confirm that STMD provides much better control performance than passive md with less stroke. Also, the robustness or 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 which hysteresis was described by Bouc-Wen model and the results indicated that the performance of the passive TMD of which design parameters were optimized for a elastic structure considerably deteriorated when the hysteretic portion or the structural responses increased, while the STMD showed about 15-40% more response reduction than the TMD.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.7_spc
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pp.527-536
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2016
This paper investigates seismic damage potential of recent September 12 M5.8 Gyeongju earthquake from diverse earthquake engineering perspectives using the accelerograms recorded at three stations near the epicenter. In time domain, strong motion durations are evaluated based on the accelerograms and compared with statistical averages of the ground motions with similar magnitude, epicentral distance and soil conditions, while Fourier analysis using FFT is performed to identify damaging frequency contents contained in the earthquake. Effective peak ground accelerations are evaluated from the calculated response spectra and compared with apparent peak ground accelerations and the design spectrum in KBC 2016. All these results are used to consistently explain the reason why most of seismic damage in the earthquake was concentrated on low-rise stiff buildings but not quite significant. In order to comparatively appraise the damage potential, the constant ductility spectrum constructed from the Gyeongju earthquake is compared with that of the well-known 1940 El Centro earthquake. Deconvolution analysis by using one accelerogram speculated to be recorded at a stiff soil site is also performed to estimate the soil profile conforming to the response spectrum characteristics. Finally, response history analysis for 39- and 61-story tall buildings is performed as a case study to explain significant building vibration felt on the upper floors of some tall buildings in Busan area during the Gyeongju earthquake. Seismic design and retrofit implications of M5.8 Gyeongju earthquake are summarized for further research efforts and improvements of relevant practice.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.7
no.2
s.24
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pp.63-74
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2007
Large spatial structures consist of roof structure and its supporting structure. Authors simply call the supporting structure "lower parts" and roof structure "upper parts". To study the influence of an lower part on the seismic response of the upper part of a structure as a first step, authors substitute the upper part and the lower part of the structure to a single degree of freedom system individually, and set up a new 2 DOF structural model connected by them. It is clarified that the mass ratio and the period ratio of an upper part to a lower part are important parameters to find the amplification or reduction of the seismic response of an upper part.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.1
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pp.37-45
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1990
An analytical procedure is proposed for the seismic analysis of a soil-structure interaction system with besemat uplift, including the effects of concurrent vertical seismic ground motion, nonlinear distribution of bearing soil pressure under the basemat, and 3-dimensional behavior of the system. The soil-structure interaction system is assumed to have rectangular-shaped basemat on elastic half-space. Nonlinearity of soil spring constants and soil damping coefficients induced by the base mat uplift is modeled by considering not only the reduction of contact area between soil and structure but also the effects of rigid body rotational motion of the superstructure, and the shift in the point of action of the resultant reaction on the basemat. Throught various parametric studies. it has been confirmed that the seismic responses of the superstructure reduce notably while response at the basemat increases considerably. The results also show that the effects of concurrent vertical ground motion. nonlinear soil pressure distribution under basemat, and 3-dimensional behavior of the system shall be included in uplift analysis in order to obtain the correct structural responses.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.6
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pp.71-80
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2003
Though a nonlinear time history analysis may be provided to estimate more exactly the seismic performance of building structure, approximation methods are still needed in the aspect of practicality and simplicity, In converting a multi-story structure to an equivalent SDOF system, the mode vectors of the multi-story structure are assumed as the mode shape in elastic state regardless of elastic or elastic-plastic state. However, the characteristics of displacement mode are also changed after the yielding made in the structural elements, because the structure becomes inelastic in each incremental load step. In this research, a method of converting MDOF system to ESDOF system is presented by using nonlinear displacement mode considering the mode change of structures after the yielding. Also, the accuracy and efficiency of the method of the nonlinear displacement mode method of the estimate of seismic response of Mixed Building Structures were examined by comparing the displacements of the roof level of the multi-story building structures estimated from this converted displacement response of ESDOF with the displacement of the roof level through the nonlinear dynamic analysis of the multi-story building structures subjected to an actual earthquake excitation.
The multi-story timber structure with high platform base is one of the important architectural types in the traditional Chinese buildings. To study the dynamic characteristics and seismic responses on this kind of traditional structure, the 3-D finite element models of Xi'an drum tower which included the high platform base, upper timber structure and whole structure was established considering the structural form and material performance parameters of the structure in this study. By the modal analysis, the main frequencies and mode shapes of this kind of traditional building were obtained and investigated. The three kinds of earthquake excitations included El-Centro wave, Taft wave and Lanzhou wave were separately imposed on the upper timber structure model and the overall structure model, and the seismic responses on the tops of columns were analyzed. The results of time history analysis show that the seismic response of the upper timber structure is obviously amplified by high platform base. After considering the effect of high platform base, the mean value on the lateral displacement increments of the top column in the overall structure is more than 20.478% and the increase of dynamic coefficients was all above 0.818 under the above three different earthquake excitations. Obviously, it shows that the existence of high platform base has a negative influence on the seismic responses of upper timber structure. And the high platform base will directly affect the safety of the upper timber structure. Therefore, the influence of high platform base on the dynamic response of its upper timber structure cannot be neglected.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.43
no.5
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pp.116-123
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2001
This paper represents results of an effort to seismically rehabilitate a 12-story nonductile reinforced concrete frame building. The frame located in the most severe seismic area, zone 4, is assumed to be designed and detailed for gravity load requirements only. Both pushover and nonlinear time-history analyses are carried out to determine strength, deformation capacity and the vulnerability of the building. The analysis indicates a drift concentration at the $1^{st}$ floor level due to inadequate strength and ductility capacity of the ground floor columns. The capacity curve of the structure, when superimposed on the average demand response spectrum for the ensemble of scaled earthquakes indicates that the structure is extremely weak and requires a major retrofit. The retrofit of the building is attempted using viscoelastic (VE) dampers. The dampers at each floor level are sized in order to reduce the elastic story drift ratios to within 1%. It is found that this requires substantially large dampers that are not practically feasible. With practical size dampers, the analyses of the viscoelastically damped building indicates that the damper sizes provided are not sufficient enough to remove the biased response and drift concentration of the building. The results indicate that VE-dampers alone are not sufficient to rehabilitate such a concrete frame. Concrete buildings, in general, being stiffer require larger dampers. The second rehabilitation strategy uses concrete shearwalls. Shearwalls increased stiffness and strength of the building, which resulted in reducing the drift significantly. The effectiveness of VE-dampers in conjunction with stiff shearwalls was also studied. Considering the economy and effectiveness, it is concluded that shearwalls were the most feasible solution for seismic rehabilitation of such buildings.
The aim of the study is to show the results of complex shaking table experimental investigation focused on the response of two models of cylindrical steel tanks under mining tremors and moderate earthquakes, including the aspects of diagnosis of structural damage. Firstly, the impact and the sweep-sine tests have been carried out, so as to determine the dynamic properties of models filled with different levels of liquid. Then, the models have been subjected to seismic and paraseismic excitations. Finally, one fully filled structure has been tested after introducing two different types of damages, so as to verify the method of damage diagnosis. The results of the impact and the sweep-sine tests show that filling the models with liquid leads to substantial reduction in natural frequencies, due to gradually increasing overall mass. Moreover, the results of sweep-sine tests clearly indicate that the increase in the liquid level results in significant increase in the damping structural ratio, which is the effect of damping properties of liquid due to its sloshing. The results of seismic and paraseismic tests indicate that filling the tank with liquid leads initially to considerable reduction in values of acceleration (damping effect of liquid sloshing); however, beyond a certain level of water filling, this regularity is inverted and acceleration values increase (effect of increasing total mass of the structure). Moreover, comparison of the responses under mining tremors and moderate earthquakes indicate that the power amplification factor of the mining tremors may be larger than the seismic power amplification factor. Finally, the results of damage diagnosis of fully filled steel tank model indicate that the forms of the Fourier spectra, together with the frequency and power spectral density values, can be directly related to the specific type of structural damage. They show a decrease in the natural frequencies for the model with unscrewed support bolts (global type of damage), while cutting the welds (local type of damage) has resulted in significant increase in values of the power spectral density for higher vibration modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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