Near-field earthquake records including long-period high-amplitude velocity pulses can cause large isolation system displacements leading to buckling or rupture of isolators. In such cases, providing supplemental damping in the isolation system has been proposed as a solution. However, it is known that linear viscous dampers can reduce base displacements in case of near-field earthquakes but at the potential expense of increased superstructure response in case of far-field earthquakes. But can non-linear dampers with different levels of non-linearity offer a superior seismic performance? In order to answer this question, the effectiveness of non-linear viscous dampers in reducing isolator displacements and its effects on the superstructure response are investigated. A comparison with linear viscous dampers via time history analysis is done using a base-isolated benchmark building model under historical near-field and far-field earthquake records for a wide range of different levels of non-linearity and supplemental damping. The results show that the non-linearity level and the amount of supplemental damping play important roles in reducing base displacements effectively. Although use of non-linear supplemental dampers may cause superstructure response amplification in case of far-field earthquakes, this negative effect may be avoided or even reduced by using appropriate combinations of non-linearity level and supplemental damping.
Jianbo Dai;Zewen Zhao;Jing Ma;Zhaocheng Wang;Xiangxiang Ma
Earthquakes and Structures
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v.26
no.3
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pp.239-249
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2024
A new layered shear continuum model box was developed to address the dynamic response issues of buried oil and gas pipelines under multi-point excitation. Vibration table tests were conducted to investigate the seismic response of buried pipelines and the surrounding soil under longitudinal multi-point excitation. A nonlinear model of the pipeline-soil interaction was established using ABAQUS finite element software for simulation and analysis. The seismic response characteristics of the pipeline and soil under longitudinal multi-point excitation were clarified through vibration table tests and simulation. The results showed good consistency between the simulation and tests. The acceleration of the soil and pipeline exhibited amplification effects at loading levels of 0.1 g and 0.2 g, which significantly reduced at loading levels of 0.4 g and 0.62 g. The peak acceleration increased with increasing loading levels, and the peak frequency was in the low-frequency range of 0 Hz to 10 Hz. The amplitude in the frequency range of 10 Hz to 50 Hz showed a significant decreasing trend. The displacement peak curve of the soil increased with the loading level, and the nonlinearity of the soil resulted in a slower growth rate of displacement. The strain curve of the pipeline exhibited a parabolic shape, with the strain in the middle of the pipeline about 3 to 3.5 times larger than that on both sides. This study provides an effective theoretical basis and test basis for improving the seismic resistance of buried oil and gas pipelines.
Seismic isolation has been established as an effective earthquake-resistant design method and the lead rubber bearings (LRBs) are among the most commonly used seismic isolation systems. In the scientific literature, a sharp bilinear model is often used for capturing the hysteretic behaviour of the LRBs in the analysis of seismically isolated structures, although the actual behaviour of the LRBs can be more accurately represented utilizing smoothed plasticity, as captured by the Bouc-Wen model. Discrepancies between these two models are quantified in terms of the computed peak relative displacements at the isolation level, as well as the peak inter-storey deflections and the absolute top-floor accelerations, for the case of base-isolated buildings modelled as multi degree-of-freedom systems. Numerical simulations under pulse-like ground motions have been performed to assess the effect of non-linear parameters of the seismic isolation system and characteristics of both the superstructure and the earthquake excitation, on the accuracy of the computed peak structural responses. Through parametric analyses, this paper assesses potential inaccuracies of the computed peak seismic response when the sharp bilinear model is employed for modelling the LRBs instead of the more accurate and smoother Bouc-Wen model.
Multiple level performance of seismically isolated elevated storage tank isolated with multi-phase friction pendulum bearing is investigated under totally 60 records developed for multiple level seismic hazard analysis (SLE, DBE and MCE). Mathematical formulations involving complex time history analysis have been proposed for analysis of typical storage tank by multi-phase friction pendulum bearing. Multi-phase friction pendulum bearing represent a new generation of adaptive friction isolation system to control super-structure demand in different hazard levels. This isolator incorporates four concave surfaces and three independent pendulum mechanisms. Pendulum stages can be set to address specific response criteria for moderate, severe and very severe events. The advantages of a Triple Pendulum Bearing for seismic isolation of elevated storage tanks are explored. To study seismic performance of isolated elevated storage tank with multi-phase friction pendulum, analytical simulations were performed with different friction coefficients, pendulum radii and slider displacement capacities.
The study presented herein focused on the change in hysteretic force-deformation behavior of lead rubber bearings (LRBs). The material model used to idealize response of LRBs under cyclic motion is capable of representing the gradual attrition in strength of isolator unit on account of lead core heating. To identify the effect of loading history on the hysteretic response of LRBs, a typical isolator unit is subjected to cyclic motions with different velocity, amplitude and number of cycles. Furthermore, performance of an LRB isolated single degree of freedom system is studied under different seismic input levels. Finally, the significance of lead core heating effect on LRBs is discussed by considering the current design approach for base isolated structures. Results of this study show that the response of an LRB is governed strongly by the amplitude and number of cycles of the motion and the considered seismicity level.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1998.04b
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pp.433-438
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1998
Design lateral strength calculated by current seismic design code is prescribed to be much lower than the force level required for a structure to respond elastically during design level earthquake ground motion. Present procedures for calculating seismic design forces are based on the use of elastic spectra reduced by a strength reduction factor known as "response modification factor, R". This factor accounts for the inherent ductility, overstrength, redundancy, and damping of a structural system. This study considers ductility and overstrength of the wall-type structure for investigating R factor. This means that R factor is determined from the product of "ductility-based R factor($R_$\mu$$) and overstrength factor($R_s$). $R_$\mu$$ factor is calibrated to attain the targer ductility ratio (system ductility capacity) and produced in the from of $R_$\mu$$ spectra considering the influence of target ductility, natural period, and hysteretic model. On the other hand, $R_s$ is more difficult to quantify, since it depends on both material and system-dependent uncertain parameters. In this study Rs factor was determined from the result of push-over analysis.-over analysis.
This study investigates the optimum design parameters of a superelastic friction base isolator (S-FBI) system through a multi-objective genetic algorithm to improve the performance of isolated buildings against near-fault earthquakes. The S-FBI system consists of a flat steel-PTFE sliding bearing and superelastic NiTi shape memory alloy (SMA) cables. Sliding bearing limits the transfer of shear across the isolation interface and provides damping from sliding friction. SMA cables provide restoring force capability to the isolation system together with additional damping characteristics. A three-story building is modeled with S-FBI isolation system. Multiple-objective numerical optimization that simultaneously minimizes isolation-level displacements and superstructure response is carried out with a genetic algorithm in order to optimize S-FBI system. Nonlinear time history analyses of the building with optimal S-FBI system are performed. A set of 20 near-fault ground motion records are used in numerical simulations. Results show that S-FBI system successfully control response of the buildings against near-fault earthquakes without sacrificing in isolation efficacy and producing large isolation-level deformations.
Ahn, Tae Sang;Kim, Young Ju;Kim, Hyung Geun;Jang, Dong Woon;Choi, Kyoung Kyu;Kim, Jong Rak
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.1
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pp.81-92
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2013
The objective of conventional seismic design is to ensure an acceptable safety level while avoiding catastrophic failures of structures and loss of life. Over the last many years, a large amount of research has been devoted into developing effective earthquake resistant systems in order to raise the seismic performance level of structures. The purpose of this study is to propose a new damping system, which realize not only increasing seismic performance but also easy repairing after an earthquake. The proposed damping system is slit in the bottom of wall with damping devices installed in the slit horizontally aiming to dissipate energy during earthquakes. Cyclic loading tests were conducted to investigate hysteretic behavior and energy dissipation capacity. Test results show that the proposed systems exhibit a stable hysteretic response and the energy dissipation in this system is concentrated on the damping devices.
This study introduces a novel 'multi-mushroom' structural system designed to improve seismic performance in lowrise buildings. Traditional low-rise structures tend to favor sliding over rocking due to their smaller aspect ratios despite the rocking system's superior seismic response reduction. Rocking designs allow structures to pivot at their base during seismic events, reducing damage by dissipating energy. The proposed multi-mushroom system divides the building into four equal sections with small gaps in between, each capable of independent rocking. Numerical analyses are conducted using scaled earthquake records from far- and near-source events to evaluate this system's performance. The results indicated that the multimushroom system significantly reduces plastic hinge formation compared to conventional designs. The system also demonstrated enhanced beam performance and a robust base girder, contributing to reduced collapse vulnerability. The 3-story model exhibited the most favorable behavior, effectively mitigating peak roof drift values, where the rocking system achieved a 21% reduction in mean roof displacement for near-field records and 15% for far-field records. However, the 5-story configuration showed increased roof displacement, and the 7-story model recorded higher incidences of collapse prevention (CP) hinges, indicating areas for further optimization. Overall, the multi-mushroom system enhances seismic resilience by minimizing plastic hinge formation and improving structural integrity. While the system shows significant promise for low-rise buildings, challenges related to roof displacement and inter-story drift ratio in taller structures necessitate further research. These findings suggest that the multi-mushroom system offers a viable solution for seismic risk reduction, contributing to safer and more sustainable urban development in earthquake-prone areas.
Andika M. Emilidardi;Ali Awaludin;Andreas Triwiyono;Angga F. Setiawan;Iman Satyarno;Alvin K. Santoso
Earthquakes and Structures
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v.27
no.1
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pp.69-82
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2024
In the conventional seismic design approach for a bridge pier, the function of the stopper, and shear key are to serve as mechanisms for unseating prevention devices that retain and transmit the lateral load to the pier under strong earthquakes. This frequently inflicts immense shear forces and bending moments concentrated at the plastic hinge zone. In this study, a shear panel damper plus gap (SPDG) is proposed as a low-cost alternative with high energy dissipation capacity to improve the seismic performance of the pier. Therefore, this study aimed to investigate the seismic performance of the pre-stressed concrete I girder (PCI-girder) bridge equipped with SPDG. The bridge structure was analyzed using nonlinear time history analysis with seven-scaled ground motion records using the guidelines of ASCE 7-10 standard. Consequently, the implementation of SPDG technology on the bridge system yielded a notable decrease in maximum displacement by 41.49% and a reduction in earthquake input energy by 51.05% in comparison to the traditional system. This indicates that the presence of SPDG was able to enhance the seismic performance of the existing conventional bridge structure, enabling an improvement from a collapse prevention (CP) level to an immediate occupancy (IO).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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