Base isolation is widely used in seismic resisting buildings due to its low construction cost, high reliability, mature theory and convenient usage. However, it is difficult to design the isolation layer in high-rise buildings using the available bearings because high-rise buildings are characterized with long period, low horizontal stiffness, and complex re-distribution of the internal forces under earthquake loads etc. In this paper, a simple and innovative isolation bearing, named Teflon-based lead rubber isolation bearing, is developed to address the mentioned problems. The Teflon-based lead rubber isolation bearing consists of friction material and lead rubber isolation bearing. Hence, it integrates advantages of friction bearings and lead rubber isolation bearings so that improves the stability of base isolation system. An experimental study was conducted to validate the effectiveness of this new bearing. The effects of vertical loading, displacement amplitude and loading frequency on the force-displacement relationship and energy dissipation capacity of the Teflon-based lead rubber isolation bearing were studied. An analytical model was also proposed to predict the force-displacement relationship of the new bearing. Comparison of analytical and experimental results showed that the analytical model can accurately predict the force-displacement relationship and elastic shear deflection of the Teflon-based lead rubber isolation bearings.
The paper deals with the vibration isolation of a large structure using an experimental technology. In the case of vibration isolation for the vicinity of a subway or a railroad station, most of vibration isolation techniques using isolation materials with high isolation efficiency only, have been applied. Therefore, the quantitative evaluation and design technologies are required for a vibration isolation of large structures. In this study, firstly, vibration characteristics due to train or subway are analyzed. Secondly, the performance of existing vibration isolation materials such as precision isolation material, elastomer is estimated through the experiments. Thirdly, the performance of a tire isolation material and its frame is tested and evaluated. Finally, it is shown that tire isolation materials can be applied to the vibration isolation or vibration reduction of large structures.
An aircraft impact (AI) on a nuclear power plant (NPP) is considered to be a beyond-design-basis event that draws considerable attention in the nuclear field. As some NPPs have already adopted the seismic isolation technology, and there are relevant standards to guide the application of this technology in future NPPs, a new challenge is that nuclear power engineers have to determine a reasonable method for performing AI analysis of base-isolated NPPs. Hence, dynamic influences of the seismic isolation on the vibration and structural damage characteristics of the base-isolated CPR1000 containment are studied under various aircraft loads. Unlike the seismic case, the impact energy of AI is directly impacting on the superstructure. Under the coupled influence of the seismic isolation and the various AI load, the flexible isolation layer weakens the constraint function of the foundation on the superstructure, the results show that the seismic isolation bearings will produce a large horizontal deformation if the AI load is large enough, the acceleration response at the base-mat will also be significantly affected by the different horizontal stiffness of the isolation bearing. These concerns require consideration during the design of the seismic isolation system.
Concrete rectangular liquid storage tanks are widely used, but there are many cases of damage in previous earthquakes. Nonlinear fluid-structure interaction (FSI) is considered, Mooney-Rivlin material is used for rubber bearing, nonlinear contact is used for sliding bearing, numerical calculation models of no-isolation, rubber isolation, sliding isolation and hybrid isolation concrete rectangular liquid storage tanks are established; dynamic responses of different structures are compared to verify the effectiveness of isolation methods; and influences of earthquake amplitude, bidirectional earthquake and far-field long-period earthquake on dynamic responses are investigated. Results show that for liquid sloshing wave height, rubber isolation cause amplification effect, while sliding isolation and hybrid isolation have reduction effect; displacement of rubber isolation structure is much larger than that of sliding isolation with limiting-devices and hybrid isolation structure; when PGA is larger, wall cracking probability of no-isolation structure becomes larger, and probability of liquid sloshing wave height and structure displacement of rubber isolation structure exceeds the limit is also larger; under bidirectional earthquake, occurrence probabilities that liquid sloshing wave height and structure displacement of rubber isolation structure exceed the limit will be increased; besides, far-field long-period earthquake mainly influences structure displacement and liquid sloshing wave height. On the whole, control effect of sliding isolation is the best, followed by hybrid isolation, and rubber isolation is the worst.
In this study, a smart isolation platform has been developed for control of microvibration of high-technology facilities, such as semi-conductor plants and TFT-LCD plants. Previously, microvibration control performance of a smart base isolation system has been investigated. This study compared microvibration control performance of a smart isolation platform with that of conventional base isolation and fixed base. For this purpose, train-induced ground acceleration is used for time history analysis. An MR damper was used to compose a smart isolation platform. A fuzzy logic controller was used as a control algorithm and it was optimized by a multi-objective genetic algorithm. Numerical analysis shows that a smart isolation platform can effectively control microvibration of a high-technology facility subjected to train-induced excitation compared with other models.
This paper deals with the vibration isolation techniques for a large structure using experimental research. In the case of vibration isolation for the vicinity of a subway or a railroad station, most of vibration isolation techniques using isolation materials with high isolation efficiency only, have been applied. Therefore, the quantitative evaluation and design technologies are required for a vibration isolation of large structures. In this study, firstly, vibration characteristics due to train or subway are analyzed. Secondly, the performance of existing vibration isolation materials such as precision isolation material, elastomer is estimated through the experiments. Thirdly the performance of tire isolation material and its frame is tested and evaluated.
To obtain the seismic response of lead-cored rubber, shape memory alloy (SMA)-rubber isolation Plate-shell Integrated Concrete Liquid-Storage Structure (PSICLSS), based on a PSICLSS in a water treatment plant, built a scale experimental model, and a shaking table test was conducted. Discussed the seismic responses of rubber isolation, SMA-rubber isolation PSICLSS. Combined with numerical model analysis, the vibration characteristics of rubber isolation PSICLSS are studied. The results showed that the acceleration, liquid sloshing height, hydrodynamic pressure of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS are amplified when the frequency of seismic excitation is close to the main frequency of the isolation PSICLSS. The earthquake causes a significant leakage of liquid, at the same time, the external liquid sloshing height is significantly higher than internal liquid sloshing height. Numerical analysis showed that the low-frequency acceleration excitation causes a more significant dynamic response of PSICLSS. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of internal liquid causes a more significant sloshing height of the internal liquid, but has little effect on the structural principal stresses. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of external liquid causes the most enormous structural principal stress, and a more significant external liquid sloshing height. In particular, the principal stress of PSICLSSS with long isolation period will be significantly enlarged. Therefore, the stiffness of the isolation layer should be properly adjusted in the design of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS.
Base isolation, one of the popular seismic protection approaches proven to be effective in practical applications, has been widely applied worldwide during the past few decades. As the techniques mature, it has been recognised that, the biggest issue faced in base isolation technique is the challenge of great base displacement demand, which leads to the potential of overturning of the structure, instability and permanent damage of the isolators. Meanwhile, drain, ventilation and regular maintenance at the base isolation level are quite difficult and rather time- and fund- consuming, especially in the highly populated areas. To address these challenges, a number of efforts have been dedicated to propose new isolation systems, including segmental building, additional storey isolation (ASI) and mid-storey isolation system, etc. However, such techniques have their own flaws, among which whipping effect is the most obvious one. Moreover, due to their inherent passive nature, all these techniques, including traditional base isolation system, show incapability to cope with the unpredictable and diverse nature of earthquakes. The solution for the aforementioned challenge is to develop an innovative vibration isolation system to realise variable structural stiffness to maximise the adaptability and controllability of the system. Recently, advances on the development of an adaptive magneto-rheological elastomer (MRE) vibration isolator has enlightened the development of adaptive base isolation systems due to its ability to alter stiffness by changing applied electrical current. In this study, an innovative semi-active storey isolation system inserting such novel MRE isolators between each floor is proposed. The stiffness of each level in the proposed isolation system can thus be changed according to characteristics of the MRE isolators. Non-dominated sorting genetic algorithm type II (NSGA-II) with dynamic crowding distance (DCD) is utilised for the optimisation of the parameters at isolation level in the system. Extensive comparative simulation studies have been conducted using 5-storey benchmark model to evaluate the performance of the proposed isolation system under different earthquake excitations. Simulation results compare the seismic responses of bare building, building with passive controlled MRE base isolation system, building with passive-controlled MRE storey isolation system and building with optimised storey isolation system.
Lei Qi;Xuansheng Cheng;Shanglong Zhang;Yuyue Bu;Bingbing Luo
Earthquakes and Structures
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제27권1호
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pp.57-67
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2024
To assess the seismic performance of Plate-Shell Integrated Concrete Liquid-Storage Structure (PSICLSS), a scaled test model was constructed. This model incorporated a hybrid isolation system, which combined shape memory alloy (SMA), lead-cored rubber isolation bearing (LRB) and sliding isolation bearing (SB). By conducting shaking table test, the dynamic responses of both non-isolated and hybrid-isolated PSICLSS were analyzed. The results show that the hybrid isolation system can effectively reduce the acceleration and displacement responses of the structure. However, it also results in an increase in local hydrodynamic pressure and liquid sloshing height. Under extreme earthquake action, the displacement of isolation layer is small. When vertical ground motion is taken into account, the shock absorption rate of horizontal acceleration decreases. The peak hydrodynamic pressure increases significantly, and the peak hydrodynamic pressure position also changes. The maximum displacement of isolation layer increases, the residual displacement decreases.
Despite its success and wide application, base isolation system has been challenged for its passive nature, i.e., incapable of working with versatile external loadings. This is particularly exaggerated during near-source earthquakes and earthquakes with dominate low-frequency components. To address this issue, many efforts have been explored, including active base isolation system and hybrid base isolation system (with added controllable damping). Active base isolation system requires extra energy input which is not economical and the power supply may not be available during earthquakes. Although with tunable energy dissipation ability, hybrid base isolation systems are not able to alter its fundamental natural frequency to cope with varying external loadings. This paper reports an overview of new adventure with aim to develop adaptive base isolation system with controllable stiffness (thus adaptive natural frequency). With assistance of the feedback control system and the use of smart material technology, the proposed smart base isolation system is able to realize real-time decoupling of external loading and hence provides effective seismic protection against different types of earthquakes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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