In this study, we demonstrated the characteristics of the near-fault ground motion thatwas not considered in the domestic seismic design code and how the effect of the near-fault ground motion affects the response of cable-stayed bridges. Afterselecting the actual measurement records of the typical near- and far-fault ground motion, the characteristics of ground motion is analyzed using the elastic and inelastic response spectrum. Analyzing the response regarding the earthquake's characteristics on cable-stayed bridges by the typical three-type cable-stayed bridges and the actual cable-stayed bridge, the characteristics of responses about main members are compared and analyzed. Moreover,reliability analysis is accomplished using the results of the seismic response analysis, and the seismic safety of the cable-stayed bridges is evaluated quantitatively as a reliability index and probability of failure. According to the results of the response spectrum, the earthquake response analysis and the reliability analysis, because the effect of the near fault ground motion against the response of cable-stayed bridges is different from the effect of the existing far-fault ground motion, it should be considered as an important factor when designing cable-stayed bridges.
Damages to buildings affected by a near-fault strong ground motion are largely attributed to the vertical component of the earthquake resulting in column failures, which could lead to disproportionate building catastrophic collapse in a progressive fashion. Recently, considerable interests are awakening to study effects of earthquake vertical components on structural responses. In this study, detailed modeling and time-history analyses of a 12-story code-conforming reinforced concrete moment frame building carrying the gravity loads, and exposed to once only the horizontal component of, and second time simultaneously the horizontal and vertical components of an ensemble of far-field and near-field earthquakes are conducted. Structural responses inclusive of tension, compression and its fluctuations in columns, the ratio of shear demand to capacity in columns and peak mid-span moment demand in beams are compared with and without the presence of the vertical component of earthquake records. The influences of the existence of earthquake vertical component in both exterior and interior spans are separately studied. Thereafter, the correlation between the increase of demands induced by the vertical component of the earthquake and the ratio of a set of earthquake record characteristic parameters is investigated. It is shown that uplift initiation and the magnitude of tensile forces developed in corner columns are relatively more critical. Presence of vertical component of earthquake leads to a drop in minimum compressive force and initiation of tension in columns. The magnitude of this reduction in the most critical case is recorded on average 84% under near-fault ground motions. Besides, the presence of earthquake vertical components increases the shear capacity required in columns, which is at most 31%. In the best case, a direct correlation of 95% between the increase of the maximum compressive force and the ratio of vertical to horizontal 'effective peak acceleration (EPA)' is observed.
Since the peak seismic response of a base-isolated building strongly depends on the characteristics of the imposed seismic ground motion, the behavior of a base-isolated building under different seismic ground motions is studied, in order to better assess their effects on its peak seismic response. Specifically, the behavior of a typical steel building is examined as base-isolated with elastomeric bearings, while the effect of near-fault ground motions is studied by imposing 7 pairs of near- and 7 pairs of far-fault seismic records, from the same 7 earthquake events, to the building, under 3 different loading combinations, through three-dimensional (3D) nonlinear dynamic analyses, conducted with SAP2000. The results indicate that near-fault seismic components are more likely to increase the building's peak seismic response than the corresponding far-fault components. Furthermore, the direction of the imposed earthquake excitations is also varied by rotating the imposed pairs of seismic records from 0◦ to 360◦, with respect to the major construction axes. It is observed that the peak seismic responses along the critical incident angles, which in general differ from the major horizontal construction axes of the building, are significantly higher. Moreover, the influence of 5% and 10% accidental mass eccentricities is also studied, revealing that when considering accidental mass eccentricities the peak relative displacements of the base isolated building at the isolation level are substantially increased, while the peak floor accelerations and interstory drifts of its superstructure are only slightly affected.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.1
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pp.1-10
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2013
In order to predict inelastic displacement response without nonlinear dynamic analysis, the equal displacement rule can be used for the structures with longer natural periods than the characteristic period, $T_g$, of earthquake record. In the period range longer than $T_g$, peak displacement responses of elastic systems are equal or larger than those of inelastic systems. In the period range shorter than $T_g$, opposite trend occurs. In the equal displacement rule, it is assumed that peak displacement of inelastic system with longer natural period than $T_g$ equals to that of elastic system with same natural period. The equal displacement rule is very useful for seismic design purpose of structures with longer natural period than $T_g$. In the period range shorter than $T_g$, the peak displacement of inelastic system can be simply evaluated from the peak displacement of elastic system by using the inelastic displacement ratio, which is defined as the ratio of the peak inelastic displacement to the peak elastic displacement. Smooth hysteretic behavior is more similar to actual response of real structural system than a piece-wise linear hysteretic behavior such as bilinear or stiffness degrading behaviors. In this paper, the inelastic displacement ratios of the smooth hysteretic behavior system are evaluated for far-fault and near-fault earthquakes. The simple formula of inelastic displacement ratio considering the effect of $T_g$ is proposed.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.03a
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pp.69-76
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2003
Near-field ground motions exhibit special characteristics that are different from ordinary far-field ground motions. This paper first briefly examines the characteristics of near-field ground motions associated with fault directivity and fling-step effects. Then evaluation of near-field ground motions by inelatstic response spectrum analysis is performed and analyzed. As a result, ductility demand in near-field ground motions is larger in hanging wall than in foot wall in long period regions. Also in long period regions ductility demand in soil site is larger than that in rock site.
Reinforced concrete core-wall structures with buckling-restrained brace outriggers are interesting systems which have the ability to absorb and dissipate energy during strong earthquakes. Outriggers can change the energy demand in a tall building. In this paper, the energy demand was studied by using the nonlinear time history analysis for the mentioned systems. First, the structures were designed according to the prescriptive codes. In the dynamic analysis, three approaches for the core-wall were investigated: single plastic hinge (SPH), three plastic hinge (TPH) and extended plastic hinge (EPH). For SPH approach, only one plastic hinge is allowed at the core-wall base. For TPH approach, three plastic hinges are allowed, one at the base and two others at the upper levels. For EPH approach, the plasticity can extend anywhere in the wall. The kinetic, elastic strain, inelastic and damping energy demand subjected to forward directivity near-fault and ordinary far-fault earthquakes were studied. In SPH approach for all near-fault and far-fault events, on average, more than 65 percent of inelastic energy is absorbed by buckling-restrained braces in outrigger. While in TPH and EPH approaches, outrigger contribution to inelastic energy demand is reduced. The contribution of outrigger to inelastic energy absorption for the TPH and EPH approaches does not differ significantly. The values are approximately 25 and 30 percent, respectively.
In this paper the effects of fling-step and forward-directivity on the seismic performance of steel eccentrically braced frames (EBFs) are addressed. Four EBFs with various numbers of stories (4-, 8-, 12- and 15-story) were designed for an area with high seismic hazard. Fourteen near-fault ground motions including seven with forward-directivity and seven with fling-step effects are selected to carry out nonlinear time history (NTH) analyses of the frames. Furthermore, seven more far-field records were selected for comparison. Findings from the study reveal that the median maximum links rotation of the frames subjected to three set of ground motions are in acceptable range and the links completely satisfy the requirement stated in FEMA 356 for LS performance level. The arrival of the velocity pulse in a near-fault record causes few significant plastic deformations, while many reversed inelastic cycles result in low-cycle fatigue damage in far-fault records. Near-fault records in some cases are more destructive and the results of these records are so dispersed, especially the records having fling-step effects.
The effect of soil structure interaction (SSI) on seismic response of a multi-degree-of-freedom structure isolated with a friction pendulum system (FPS) is studied. In the analysis, the soil is considered as an elastic continuum and is modeled using the finite element method. The effect of SSI on response of the structure is evaluated for twenty far-field and twenty near-fault earthquake ground motions. The effect of friction coefficient of sliding material of FPS on SSI is also studied. The results of the study show that the seismic response of the structure increases for majority of the earthquake ground motions due to SSI. The sliding displacement and base shear are underestimated if SSI effects are ignored in the seismic analysis of structures isolated with FPS.
Available records of recent earthquakes show that near-field earthquakes have different characteristics than far-field earthquakes. In general, most of these unique characteristics of near-fault records can be attributed to their forward directivity. This phenomenon causes the records of ground motion normal to the fault to entail pulses with long periods in the velocity time history. The energy of the earthquake is almost accumulated in these pulses causing large displacements and, accordingly, severe damages in the building. Damage to structures caused by past earthquakes raises the need to assess the chance of future earthquake damage. There are a variety of methods to evaluate building seismic vulnerabilities with different computational cost and accuracy. In the meantime, fragility curves, which defines the possibility of structural damage as a function of ground motion characteristics and design parameters, are more common. These curves express the percentage of probability that the structural response will exceed the allowable performance limit at different seismic intensities. This study aims to obtain the fragility curve for low- and mid-rise structures of reinforced concrete moment frames by incremental dynamic analysis (IDA). These frames were exposed to an ensemble of 18 ground motions (nine records near-faults and nine records far-faults). Finally, after the analysis, their fragility curves are obtained using the limit states provided by HAZUS-MH 2.1. The result shows the near-fault earthquakes can drastically influence the fragility curves of the 6-story building while it has a minimal impact on those of the 3-story building.
Reinforced concrete walls and buckling restrained braces are effective structural elements that are used to resist seismic loads. In this paper, the behavior of the reinforced concrete walls coupled with buckling restrained braces is investigated. In such a system, there is not any conventional reinforced concrete coupling beam. The coupling action is provided only by buckling restrained braces that dissipate energy and also cause coupling forces in the wall piers. The studied structures are 10-, 20- and 30-story ones designed according to the ASCE, ACI-318 and AISC codes. Wall nonlinear model is then prepared using the fiber elements in PERFORM-3D software. The responses of the systems subjected to the forward directivity near-fault (NF) and ordinary far-fault (FF) ground motions at maximum considered earthquake (MCE) level are studied. The seismic responses of the structures corresponding to the inter-story drift demand, curvature ductility of wall piers, and coupling ratio of the walls are compared. On average, the results show that the inter-story drift ratio for the examined systems subjected to the far-fault events at MCE level is less than allowable value of 3%. Besides, incremental dynamic analysis is used to examine the considered systems. Results of studied systems show that, the taller the structures, the higher the probability of their collapse. Also, for a certain peak ground acceleration of 1 g, the probability of collapse under NF records is more than twice this probability under FF records.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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