This paper is aimed at combining wavelet multiresolution analysis and nonstationary Kanai-Tajimi model for the simulation of earthquake accelerograms. The proposed approach decomposes earthquake accelerograms using wavelet multiresolution analysis for the simulation of earthquake accelerograms. This study is on the basis of some Iranian earthquake records, namely Naghan 1977, Tabas 1978, Manjil 1990 and Bam 2003. The obtained results indicate that the simulated records preserve the significant properties of the actual accelerograms. In order to investigate the efficiency of the model, the spectral response curves obtained from the simulated accelerograms have been compared with those from the actual records. The results revealed that there is a good agreement between the response spectra of simulated and actual records.
Considering the vast usage of time-history dynamic analyses to calculate structural responses and lack of sufficient and suitable earthquake records, generation of artificial accelerograms is very necessary. The main target of this paper is to present a novel method based on nonstationary Kanai-Tajimi model and wavelet transform to generate more artificial earthquake records, which are compatible with target spectrum. In this regard, the generalized nonstationary Kanai-Tajimi model to include the nonstationary evaluation of amplitude and dominant frequency of ground motion and properties of wavelet transform is used to generate ground acceleration time history. Application of the method for El Centro 1940 earthquake and two Iranian earthquakes (Tabas 1978 and Manjil 1990) is presented. It is shown that the model and identification algorithms are able to accurately capture the nonstationary features of these earthquake accelerograms. The statistical characteristics of the spectral response of the generated accelerograms are compared with those for the actual records to demonstrate the effectiveness of the method. Also, for comparison of the presented method with other methods, the response spectra of the synthetic accelerograms compared with the models of Fan and Ahmadi (1990) and Rofooei et al. (2001) and it is shown that the response spectra of the synthetic accelerograms with the method of this paper are close to those of actual earthquakes.
This study explores the floor micro-vibrations induced by the automated guided vehicles (AGVs) in liquid-crystal-display (LCD) factories. The relationships between moving loads and both the vehicle weights and speeds were constructed by a modified Kanai-Tajimi (MKT) power spectral density (PSD) function whose best-fitting parameters were obtained through a regression analysis by using experimental acceleration responses of a small-scale three-span continuous beam model obtained in the laboratory. The AGV induced floor micro-vibrations under various AGV weights and speeds were then assessed by the proposed regressional MKT model. Simulation results indicate that the maximum floor micro-vibrations of the target LCD factory fall within the VC-B and VC-C levels when AGV moves at a lower speed of 1.0 m/s, while they may exceed the acceptable VC-B level when AGV moves at a higher speed of 1.5 m/s. The simulated floor micro-vibration levels are comparable to those of typical LCD factories induced by AGVs moving normally at a speed between 1.0 m/s and 2.0 m/s. Therefore, the numerical algorithm that integrates a simplified sub-structural multi-span continuous beam model and a proposed regressional MKT moving force model can provide a satisfactory prediction of AGV-induced floor micro-vibrations in LCD factories, if proper parameters of the MKT moving force model are adopted.
A stochastic response spectrum method is proposed for simple evaluation of the structural response of an actively controlled aseismic structure. The response spectrum is constructed assuming a linear structure with an active mass damper (AMD) system, and an earthquake wave model given by the product of a non-stationary envelope function and a stationary Gaussian random process with Kanai-Tajimi power spectral density. The control design is executed using a linear quadratic Gaussian control strategy for an enlarged state space system, and the response amplification factor is given by the combination of the obtained statistical response values and extreme value theory. The response spectrum thus produced can be used for simple dynamical analyses. The response factors obtained by this method for a multi-degree-of-freedom structure are shown to be comparable with those determined by numerical simulations, demonstrating the validity and utility of the proposed technique as a simple design tool. This method is expected to be useful for engineers in the initial design stage for structures with active aseismic control.
Marano, Giuseppe Carlo;Trentadue, Francesco;Greco, Rita
Structural Engineering and Mechanics
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v.25
no.1
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pp.21-37
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2007
In this study a stochastic approach for linear viscous dampers design adopted for seismic protection of buildings is developed. Devices optimal placement into the main structure and their mechanical parameters are attained by means of a reliability-based optimum design criterion, in which an objective function (O.F.) is minimized, subject to a stochastic constraint. The seismic input is modelled by a non stationary modulated Kanai Tajimi filtered stochastic process. Building is represented by means of a plane shear type frame model. The selected criterion for the optimization searches the minimum of the O.F., here assumed to be the cost of the seismic protection, i.e., assumed proportional to the sum of added dampings of each device. The stochastic constraint limits a suitable approximated measure of the structure failure probability, here associated to the maximum interstorey drift crossing over a given threshold limit, related, according with modern Technical Codes, to the required damage control.
The main objective of this study is to examine the accuracy of the complete quadratic combination (CQC) rule with the modal responses defined by the ordinates of the uniform hazard spectra (UHS) to evaluate the peak responses of the multi-degree-of-freedom (MDOF) systems subjected to nonstationary seismic excitations. For the probabilistic analysis of the peak responses, it is considered that the seismic excitations can be modeled using evolutionary power spectra density functions with uncertain model parameters. More specifically, a seismological model and the Kanai-Tajimi model with the boxcar or the exponential modulating functions were used to define the evolutionary power spectral density functions in this study. A set of UHS was obtained based on the probabilistic analysis of transient responses of single-degree-of-freedom systems subjected to the seismic excitations. The results of probabilistic analysis of the peak responses of MDOF systems were obtained, and compared with the peak responses calculated by using the CQC rule with the modal responses given by the UHS. The comparison seemed to indicate that the use of the CQC rule with the commonly employed correlation coefficient and the peak modal responses from the UHS could lead to significant under- or over-estimation when contributions from each of the modes are similarly significant.
In near-fault earthquake prone areas, the velocity pulse-like seismic waves often results in excessive horizontal displacement for structures, which may result in severe structural failure during large or near-fault earthquakes. The recently developed isolator-gap damper (IGD) systems provide a solution for the large horizontal displacement of long period base-isolated structures. However, the hysteresis characteristics of the IGD system are significantly different from the traditional hysteretic behavior. At present, the hysteretic behavior is difficult to be reflected in the structural analysis and performance evaluation especially under random earthquake excitations for lacking of effective analysis models which prevent the application of this kind of IGD system. In this paper, we propose a mathematical hysteretic model for the IGD system that presents its nonlinear hysteretic characteristics. The equivalent linearization is conducted on this nonlinear model, which requires the variances of the IGD responses. The covariance matrix for the responses of the structure and the IGD system is obtained for random earthquake excitations represented by the Kanai-Tajimi spectrum by solving the Lyapunov equation. The responses obtained by the equivalent linearization are verified in comparison with the nonlinear responses by the Monte Carlo simulation (MCS) analysis for random earthquake excitations.
The theoretical background and capabilities of the developed program, SAR-CWF, for stochastic analysis of 3D reinforced-concrete shear wall-frame structures subject to seismic excitations is presented. Incremental stiffness and strength properties of system members are modeled by extended Roufaiel-Meyer hysteretic relation for bending while shear deformations for walls by Origin-Oriented hysteretic model. For the critical height of shear-walls, division to sub-elements is performed. Different yield capacities with respect to positive and negative bending, finite extensions of plastic hinges and P-${\delta}$ effects are considered while strength deterioration is controlled by accumulated hysteretic energy. Simulated strong motions are obtained from a Gaussian white-noise filtered through Kanai-Tajimi filter. Dynamic equations of motion for the system are formed according to constitutive and compatibility relations and then inserted into equivalent It$\hat{o}$-Stratonovich stochastic differential equations. A system reduction scheme based on the series expansion of eigen-modes of the undamaged structure is implemented. Time histories of seismic response statistics are obtained by utilizing the computer programs developed for different types of structures.
This paper studies the effects of spatially varying ground motions on the responses of a bridge frame located on a canyon site. Compared to the spatial ground motions on a uniform flat site, which is the usual assumptions in the analysis of spatial ground motion variation effects on structures, the spatial ground motions at different locations on surface of a canyon site have different intensities owing to local site amplifications, besides the loss of coherency and phase difference. In the proposed approach, the spatial ground motions are modelled in two steps. Firstly, the base rock motions are assumed to have the same intensity and are modelled with a filtered Tajimi-Kanai power spectral density function and an empirical spatial ground motion coherency loss function. Then, power spectral density function of ground motion on surface of the canyon site is derived by considering the site amplification effect based on the one dimensional seismic wave propagation theory. Dynamic, quasi-static and total responses of the model structure to various cases of spatially varying ground motions are estimated. For comparison, responses to uniform ground motion, to spatial ground motions without considering local site effects, to spatial ground motions without considering coherency loss or phase shift are also calculated. Discussions on the ground motion spatial variation and local soil site amplification effects on structural responses are made. In particular, the effects of neglecting the site amplifications in the analysis as adopted in most studies of spatial ground motion effect on structural responses are highlighted.
Derbal, Rachid;Benmansour, Nassima;Djafour, Mustapha;Matallah, Mohammed;Ivorra, Salvador
Earthquakes and Structures
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v.17
no.6
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pp.557-566
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2019
The evaluation of the seismic hazard for a given site is to estimate the seismic ground motion at the surface. This is the result of the combination of the action of the seismic source, which generates seismic waves, the propagation of these waves between the source and the site, and site local conditions. The aim of this work is to evaluate the sensitivity of dynamic response of extended structures to spatial variable ground motions (SVGM). All factors of spatial variability of ground motion are considered, especially local site effect. In this paper, a method is presented to simulate spatially varying earthquake ground motions. The scheme for generating spatially varying ground motions is established for spatial locations on the ground surface with varying site conditions. In this proposed method, two steps are necessary. Firstly, the base rock motions are assumed to have the same intensity and are modelled with a filtered Tajimi-Kanai power spectral density function. An empirical coherency loss model is used to define spatial variable seismic ground motions at the base rock. In the second step, power spectral density function of ground motion on surface is derived by considering site amplification effect based on the one dimensional seismic wave propagation theory. Several dynamics analysis of a curved viaduct to various cases of spatially varying seismic ground motions are performed. For comparison, responses to uniform ground motion, to spatial ground motions without considering local site effect, to spatial ground motions with considering coherency loss, phase delay and local site effects are also calculated. The results showed that the generated seismic signals are strongly conditioned by the local site effect. In the same sense, the dynamic response of the viaduct is very sensitive of the variation of local geological conditions of the site. The effect of neglecting local site effect in dynamic analysis gives rise to a significant underestimation of the seismic demand of the structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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