한국지진공학회 2001년도 추계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall 2001
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pp.268-275
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2001
Modal analysis does well predict the elastic dynamic response of the torsionally unbalanced structure. But modal analysis overestimates the rotation of the structure in inelastic range, so one side members require ductility too much and the others require ductility too small in comparison with torsionally balanced structure. In this paper, in order to reduce difference of ductility demand between both side members of the torsionally unbalanced structure, design eccentricity of seismic load is evaluated and the method determining the strength center of structure is proposed using modal analysis. For several cases, the ductility demand of stucture is compared to investigate the propriety of the proposed approach.
Lam, Nelson T.K.;Wilson, John L.;Lumantarna, Elisa
Earthquakes and Structures
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제11권5호
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pp.741-777
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2016
A simplified approach of assessing torsionally balanced (TB) and torsionally unbalanced (TU) low-medium rise buildings of up to 30 m in height is presented in this paper for regions of low-to-moderate seismicity. The Generalised Force Method of Analysis for TB buildings which is illustrated in the early part of the paper involves calculation of the deflection profile of the building in a 2D analysis in order that a capacity diagram can be constructed to intercept with the acceleration-displacement response spectrum diagram representing seismic actions. This approach of calculation on the planar model of a building which involves applying lateral forces to the building (waiving away the need of a dynamic analysis and yet obtaining similar results) has been adapted for determining the deflection behaviour of a TU building in the later part of the paper. Another key original contribution to knowledge is taking into account the strong dependence of the torsional response behaviour of the building on the periodic properties of the applied excitations in relation to the natural periods of vibration of the building. Many of the trends presented are not reflected in provisions of major codes of practices for the seismic design of buildings. The deflection behaviour of the building in response to displacement controlled (DC) excitations is in stark contrast to behaviour in acceleration controlled (AC), or velocity controlled (VC), conditions, and is much easier to generalise. Although DC conditions are rare with buildings not exceeding 30 m in height displacement estimates based on such conditions can be taken as upper bound estimates in order that a conservative prediction of the displacement profile at the edge of a TU building can be obtained conveniently by the use of a constant amplification factor to scale results from planar analysis.
본 논문에서는 구조물의 안전성과 경제성을 함께 도모하도록 하기 위하여 모드 해석법을 이용하여 비틀림 거동을 하는 구조물의 동적 거동을 정적 하중으로 치환할 경우에 대한 횡하중 중심점을 가정하고, 횡하중 중심점과 구조물의 강도 중심을 일치시키도록 구조물의 설계 편심을 조절하는 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법에 의해 구조물을 설계하였을 경우, 다른 내진 기준에 의해 설계된 구조물과 비교하여 지나친 추가 연성도를 요구하지 않는다는 것을 보여준다.
The paper considers aspects of the energy dissipation response of selected realistic forms of torsionally balanced and torsionally unbalanced building systems, responding to an ensemble of strong-motion earthquake records. Focus is placed on the proportion of the input seismic energy which is dissipated hysteretically, and the distribution of this energy amongst the various lateral load-resisting structural elements. Systems considered comprise those in which torsional effects are discounted in the design, and systems designed for torsion by typical code-defined procedures as incorporated in the New Zealand seismic standard. It is concluded that torsional response has a fundamentally significant influence on the energy dissipation demand of the critical edge elements, and that therefore the allocation of appropriate levels of yielding strength to these elements is a paramount design consideration. Finally, it is suggested that energy-based response parameters be developed in order to assist evaluations of the effectiveness of code torsional provisions in controlling damage to key structural elements in severe earthquakes.
The code static eccentricity model for elastic torsional design of structures has two critical shortcomings: (1) the negation of the inertial torsional moment at the center of mass (CM), particularly for torsionally-unbalanced (TU) building structures, and (2) the confusion caused by the discrepancy in the definition of the design eccentricity in codes and the resistance eccentricity commonly used by engineers such as in FEMA454. To overcome these shortcomings, using the resistance eccentricity model that can accommodate the inertial torsional moment at the CM, interactive relations between shear and torsion are proposed as follows: (1) elastic responses of structures at instants of peak edge-frame drifts are given as functions of resistance eccentricity, and (2) elastic hysteretic relationships between shear and torsion in forces and deformations are bounded by ellipsoids constructed using two adjacent dominant modes. Comparison of demands estimated using these two interactive relations with those from shake-table tests of two TU building structures (a 1:5-scale five-story reinforced concrete (RC) building model and a 1:12-scale 17-story RC building model) under the service level earthquake (SLE) show that these relations match experimental results of models reasonably well. Concepts proposed in this study enable engineers to not only visualize the overall picture of torsional behavior including the relationship between shear and torsion with the range of forces and deformations, but also pinpoint easily the information about critical responses of structures such as the maximum edge-frame drifts and the corresponding shear force and torsion moment with the eccentricity.
It is well known that torsionally unbalanced buildings are more vulnerable to earthquake hazards than are the regular structural systems. In this paper, a parametric investigation is presented, in order to observe the amplification in the internal forces, when increased eccentricities are used instead of the ones corresponding to the 5% accidental eccentricity. A series of five, ten-story framed and walled structures, with rather high torsional irregularity coefficients, are selected and a numerical test procedure is applied. Numerical results show that the maximum amplification in the internal forces at the most critical beams and columns at the flexible sides of the structures is about 10%. It is concluded that, more serious measures in the codes are needed in the case of this rather dangerous type of irregularity.
The static design approach in the current code implies that the inherent torsional moment represents the state of zero inertial torsional moments at the center of mass (CM). However, both experimental and analytical results prove the existence of a large amount of the inertial torsional moment at the CM. Also, the definition of eccentricity by engineers, which is referred to as the resistance eccentricity, is defined as the distance between the center of mass and the center of resistance, which is conceptually different from the static eccentricity in the current codes, defined as the arm length about the center of rotation. The difference in the definitions of eccentricity should be made clear to avoid confusion about the torsion design. This study proposed prediction equations as a function of resistance eccentricity based on a resistance eccentricity model with advantages of (1) the recognition of the existence of torsional moment at the CM, (2) the avoidance of the confusion by using resistance eccentricity instead of the design eccentricity, and (3) a clear relationship of applied inertial forces at the CM and resisting forces. These predictions are compared with the seismic responses obtained from time-history analyses of a five-story building structure under moderate and severe earthquakes. Then, the trend of the resistance eccentricity corresponding to the maximum edge drift is investigated for elastic and inelastic responses. The comparison given in this study shows that these prediction equations can serve as a useful reference for the prediction in both the elastic and the inelastic ranges.
국내의 서비스 수준 지진(SLE)과 최대 고려 지진(MCE)의 두 RC 건물 구조물의 실험 및 해석 결과에서 얻은 탄성 및 비탄성 응답은 비틀림에 대한 전단 및 비틀림 거동에서 저항 메커니즘의 특성을 연구하는데 사용될 수 있다. 불균형 구조의 특성 연구에서는 전단력 및 비틀림 모멘트에 대한 병진 변형 및 비틀림 변형의 상호 작용 효과를 나타내는 방정식이 제안하였다. 탄성과 비탄성 거동에서 힘과 변형 사이에 상관 관계 유무가 다르기 때문에 증분 전단력과 증분 비틀림 모멘트를 최대 벽 프레임 변형을 중심으로 항복, 제하 및 재하중 단계로 구분하여 해당 증분 변형 및 증분 비틀림 변형 측면에서 해석을 수행하였다. 두 가지 주요 지배 모드의 탄성 조합에서 병진 변형은 주로 전단력에 기여하는 반면 비틀림 변형은 전체 비틀림 모멘트에 크게 기여한다. 그러나 비탄성 응답에서는 증분 병진 변형이 증분 전단력과 증분 비틀림 모멘트 모두에 기여하게 된다. 따라서 주어진 방정식을 이용하여 비탄성 응답에서 비틀림의 편심 감소, 비틀림 강성 저하 및 겉보기 에너지 생성과 같은 모든 현상들을 설명하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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