To ensure safety and long term performance, structural control has rapidly matured over the past decade into a viable means of limiting structural responses to strong winds and earthquakes. Nonlinear response history analysis requires rigorous procedure to compute seismic demands. Therefore the simplified nonlinear analysis procedures are useful to determine performance of the structure. In this investigation, application of improved capacity demand diagram method in the control of structural system is presented for the first time. Developed pole assignment method (DPAM) in structural systems control is introduced. Genetic algorithm (GA) is employed as an optimization tool for minimizing a target function that defines values of coefficient matrices providing the placement of actuators and optimal control forces. The ground acceleration is modified under induced control forces. Due to this, performance of structure based on improved nonlinear demand diagram is selected to threshold of nonlinear behavior of structure. With small energy consumption characteristics, semi-active devices are especially attractive solutions for limiting earthquake effects. To illustrate the efficiency of DPAM, a 30-story steel moment frame structure employing the semi-active control devices is applied. In comparison to the widely used linear quadratic regulation (LQR), the DPAM controller was shown to be just as effective and better in the reduction of structural responses during large earthquakes.
Quaranta, Giuseppe;Mollaioli, Fabrizio;Monti, Giorgio
Earthquakes and Structures
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v.10
no.1
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pp.239-260
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2016
Tuned mass dampers (TMDs) have been frequently proposed to mitigate the detrimental effects of dynamic loadings in structural systems. The effectiveness of this protection strategy has been demonstrated for wind-induced vibrations and, to some extent, for seismic loadings. Within this framework, recent numerical studies have shown that beneficial effects can be achieved by placing a linear TMD on the roof of linear elastic structural systems subjected to pulse-like ground motions. Motivated by these positive outcomes, closed-form design formulations have been also proposed to optimize the device's parameters. For structural systems that undergo a near-fault pulse-like ground motion, however, it is unlikely that their dynamic response be linear elastic. Hence, it is very important to understand whether such strategy is effective for inelastic structural systems. In order to provide new useful insights about this issue, the paper presents statistical results obtained from a numerical study conducted for three shear-type hysteretic (softening-type) systems having 4, 8 and 16 stories equipped with a linear elastic TMD. The effectiveness of two design procedures is discussed by examining the performances of the protected systems subjected to 124 natural pulse-like earthquakes.
This paper introduces an improved modal pushover analysis (IMPA) which can effectively evaluate the seismic response of multi-span continuous bridge structures on the basis of modal pushover analysis (MPA). Differently from previous modal pushover analyses which cause the numerical unstability because of the occurrence of reversed relation between the pushover load and displacement, the proposed method eliminates this numerical instability and, in advance the coupling effects induced from the direct application of modal decomposition by introducing an identical stiffness ratio for each dynamic mode at the post-yielding stage together with an approximate elastic deformation. In addition to these two introductions, the use of an effective seismic load, calculated from the modal spatial force and applied as the distributed load, makes it possible to predict the dynamic responses of all bridge structures through a simpler analysis procedure than those in conventional modal pushover analyses. Finally, in order to establish validity and applicability of the proposed method, correlation studies between a rigorous nonlinear time history analysis and the proposed method were conducted for multi-span continuous bridges.
Previous major earthquakes revealed that most damage of the buried segmented pipelines occurs at the joints of the pipelines. It has been proven that the differential motions between the pipe segments are one of the primary reasons that results in the damage (Zerva et al. 1986, O'Roueke and Liu 1999). This paper studies the combined influences of ground motion spatial variations and local soil conditions on the seismic responses of buried segmented pipelines. The heterogeneous soil deposits surrounding the pipelines are assumed resting on an elastic half-space (base rock). The spatially varying base rock motions are modelled by the filtered Tajimi-Kanai power spectral density function and an empirical coherency loss function. Local site amplification effect is derived based on the one-dimensional wave propagation theory by assuming the base rock motions consist of out-of-plane SH wave or combined in-plane P and SV waves propagating into the site with an assumed incident angle. The differential axial and lateral displacements between the pipeline segments are stochastically formulated in the frequency domain. The influences of ground motion spatial variations, local soil conditions, wave incident angle and stiffness of the joint are investigated in detail. Numerical results show that ground motion spatial variations and local soil conditions can significantly influence the differential displacements between the pipeline segments.
In this study, two beam-column elements based on the Elasto-Fiber element theory for reinforced concrete (RC) element have been developed and compared with each other. The first element is based on Elasto Fiber Approach (EFA) was initially developed for steel structures and this theory was applied for RC element in there and the second element is called as Fiber & Bernoulli-Euler element approach (FBEA). In this element, Cubic Hermitian polynomials are used for obtaining stiffness matrix. The beams or columns element in both approaches are divided into a sub-element called the segment for obtaining element stiffness matrix. The internal freedoms of this segment are dynamically condensed to the external freedoms at the ends of the element by using a dynamic substructure technique. Thus, nonlinear dynamic analysis of high RC building can be obtained within short times. In addition to, external loads of the segment are assumed to be distributed along to element. Therefore, damages can be taken account of along to element and redistributions of the loading for solutions. Bossak-${\alpha}$ integration with predicted-corrected method is used for the nonlinear seismic analysis of RC frames. For numerical application, seismic damage analyses for a 4-story frame and an 8-story RC frame with soft-story are obtained to comparisons of RC element according to both approaches. Damages evaluation and propagation in the frame elements are studied and response quantities from obtained both approaches are investigated in the detail.
Khatami, Alireza;Heshmati, Mahdi;Aghakouchak, Ali Akbar
Earthquakes and Structures
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v.19
no.3
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pp.197-214
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2020
Diagrid structures have been introduced as a fairly modern lateral load-resisting system in the design of high-rise buildings. In this paper, a novel diagrid system called tube-in-tube diagrid building is introduced and assessed through pushover and incremental dynamic analyses. The main objectives of this paper are to find the optimum angle of interior and exterior diagrid tube and evaluate the efficiency of diagrid core on the probability of collapse comparing to the conventional diagrid system. Finally, the seismic performance factors of the proposed system are validated according to the FEMA P695 methodology. To achieve these, 36-story diagrid buildings with various external and internal diagonal angles are designed and then 3-D nonlinear models of these structures developed in PERFORM-3D. The results show that weight of steel material highly depends on diagonal angle of exterior tube. Adding diagrid core generally increases the over-strength factor and collapse margin ratio of tall diagrid buildings confirming high seismic safety margin for tube-in-tube diagrid buildings under severe excitations. Collapse probabilities of both structural systems under MCE records are less than 10%. Finally, response modification factor of 3.0 and over-strength factor of 2.0 and 2.5 are proposed for design of typical diagrid and tube-in-tube diagrid buildings, respectively.
The potential of using the roof water tanks as a mitigation measure to minimize the required separation gap and induced pounding forces due to collisions is investigated. The investigation is carried out using nonlinear dynamic analysis for two adjacent 3-story buildings with different dynamic characteristics under two real earthquake motions. For such analysis, nonlinear viscoelastic model is used to simulate forces due to impact. The sloshing force due to water movement is modelled in terms of width of the water tank and the instantaneous wave heights at the end wall. The effect of roof water tanks on the story's responses, separation gap, and magnitude and number of induced pounding forces are investigated. The influence of structural stiffness and storey mass are investigated as well. It is found that pounding causes instantaneous acceleration pulses in the colliding buildings, but the existence of roof water tanks eliminates such acceleration pulses. At the same time the water tanks effectively reduce the number of collisions as well as the magnitude of the induced impact forces. Moreover, buildings without constructed water tanks require wider separation gap to prevent pounding as compared to those with water tanks attached to top floor under seismic excitations.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.3
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pp.81-89
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2020
As the damage caused by earthquakes gradually increases, seismic retrofitting for existing public facilities has been implemented in Korea. Several types of structural analysis methods can be used to evaluate the seismic performance of structures. Among them, for nonlinear dynamic analysis, the hysteresis model must be carefully applied because it can significantly affect the behavior. In order to find a hysteresis model that predicts rational behavior, this study compared the experimental results and analysis results of the existing non-seismic reinforced concrete frames. For energy dissipation, the results were close to the experimental values in the order of Pivot, Concrete, Degrading, and Takeda models. The Concrete model underestimated the energy dissipation due to excessive pinching. In contrast, the other ones except the Pivot model showed the opposite results with relatively little pinching. In the load-displacement curves, the experimental and analysis results tended to be more similar when the column axial force was applied to columns.
There is an ever-increasing demand for assessment of earthquake effects on transportation structures, emphasised by the crippling consequences of recent earthquakes hitting developed countries reliant on road transportation. In this work, vulnerability functions for RC bridges are derived analytically using advanced material characterisation, high quality earthquake records and adaptive inelastic dynamic analysis techniques. Four limit states are employed, all based on deformational quantities, in line with recent development of deformation-based seismic assessment. The analytically-derived vulnerability functions are then compared to a data set comprising observational damage data from the Northridge (California 1994) and Hyogo-ken Nanbu (Kobe 1995) earthquakes. The good agreement gives some confidence in the derived formulation that is recommended for use in seismic risk assessment. Furthermore, by varying the dimensions of the prototype bridge used in the study, and the span lengths supported by piers, three more bridges are obtained with different overstrength ratios (ratio of design-to-available base shear). The process of derivation of vulnerability functions is repeated and the ensuing relationships compared. The results point towards the feasibility of deriving scaling factors that may be used to obtain the set of vulnerability functions for a bridge with the knowledge of a 'generic' function and the overstrength ratio. It is demonstrated that this simple procedure gives satisfactory results for the case considered and may be used in the future to facilitate the process of deriving analytical vulnerability functions for classes of bridges once a generic relationship is established.
Semi-active control systems have attracted a great deal of attention in recent years because these systems can operate on battery power alone, proving advantageous during seismic events when the main power source of the structure may likely fail. The behavior of semi-active devices is often highly non-linear and requires suitable and efficient control algorithm. This paper presents the comparative study and performance of variable semi-active friction dampers by using recently proposed predictive control law with direct output feedback. In this control law, the variable slip force of semi-active variable friction damper is kept slightly lower than the critical friction force, which allows the damper to remain in the slip state during an earthquake, resulting in improved energy dissipation capability. This control algorithm is able to produce a continuous and smooth slip forces for a variable friction damper. The numerical examples include a structure controlled with multiple variable semi-active friction dampers and with multiple passive friction dampers. A parameter, gain multiplier defined as the ratio of damper force to critical damper control force, is investigated under four different real earthquake ground motions, which plays an important role in the present control algorithm of the damper. The numerically evaluated optimum parametric value is considered for the analysis of the structure with dampers. The numerical results of the variable friction dampers show better performance over the passive dampers in reducing the seismic response of structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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