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.
Conical vortices on roof corners of a prismatic low-rise building have been investigated by using the PIV(Particle Image Velocimetry) technique. The Reynolds number based on the free stream velocity and model height was $5.3{\times}10^3$. Mean and instantaneous vector fields for velocity, vorticity, and turbulent kinetic energy were measured at two vertical planes and for two different flow angles of $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$. The measurements provided a clear view of the complex flow structures on roof corners such as a pair of counter rotating conical vortices, secondary vortices, and tertiary vortices. They also enabled accurate and easy measurement of the size of vortices. Additionally, we could easily locate the centers of the vortices from the ensemble averaged velocity fields. It was observed that the flow angle of a $30^{\circ}$ produces a higher level of vorticity and turbulent kinetic energy in one of the pair of vortices than does the $45^{\circ}$ flow angle.
Park, Jong-Myung;Kim, Jae-Hoon;Choi, Jin-Woo;Lim, Hong-Soo;Kim, Gon
한국태양에너지학회:학술대회논문집
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2008.04a
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pp.117-122
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2008
The apartment will be much more convenient than the other one in the application of green technologies, providing the merits by mass production. For example, pre-manufactured building materials can be effectively adapted to the formation of buildings. Recently, the form of double-enveloped window system has been developed for the purposed of minimizing energy loss occurred around windows. On the other hand, the expansion of balcony area was legalized and thus, a visual buffer area does not exist any more. All-glass window wall on apartment houses without a balcony produces pretty harmful area with direct sunbeam. A various types of glass can be applied to the window system and it plays a critical role in the determination of inner visual environment. For the purpose of verifying the potential of its daylighting, a mock-up model has been constructed and tested. The refurbished version of conventional window shows its illuminated characteristics. Clear and Low-e glass have been adapted for window area and daylighting ratio has been compared in both test cells.
Fiber reinforced cementitious composites (FRCC) materials that exhibit strain-hardening and multiple cracking properties under tension were recently developed as innovative building materials for construction. This study aims at exploring the use of FRCC on the seismic performance of coupling beams with conventional reinforcement. Experimental tests were conducted on seven FRCC precast coupling beams with small span-to-depth ratios and one ordinary concrete coupling beam for comparison. The crack and failure modes of the specimens under the low cycle reversed loading were observed, and the hysteretic characteristics, deformation capacity, energy dissipation capacity and stiffness degradation were also investigated. The results show that the FRCC coupling beams have good ductility and energy dissipation capacities compared with the ordinary concrete coupling beam. As the confinement stirrups and span-to-depth ratio increase, the deformation capacity and energy dissipation capacity of coupling beams can be improved significantly. Finally, based on the experimental analysis and shear mechanism, a formula for the shear capacity of the coupling beams with small span-to-depth ratios was also presented, and the calculated results agreed well with the experimental results.
The relative displacement of a piping system installed between isolated and nonisolated structures in a severe earthquake might be larger when without a seismic isolation system. As a result of the relative displacement, the seismic risks of some components in the building could increase. The possibility of an increase in seismic risks is especially high in the crossover piping system in the buildings. Previous studies found that an elbow which could be ruptured by low-cycle ratcheting fatigue is one of the weakest elements. Fatigue curves for elbows were suggested based on component tests. However, it is hard to find a quantitative evaluation of the ultimate state of piping elbows. Generally, the energy dissipation of a solid structure can be calculated from the relation between displacement and force. Therefore, in this study, the ultimate state of the pipe elbow, normally considered as failure of the pipe elbow, is defined as leakage under in-plane cyclic loading tests, and a failure estimation method is proposed using a damage index based on energy dissipation.
Ha, Tae Hyu;Cho, Bong-Ho;Kim, Tae Hyeong;Lee, Doo Yong;Eom, Tae Sung
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.5
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pp.519-530
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2013
Cyclic tests on modular building units for low-rise buildings composed of stud panels and a light-weight steel perimeter frame, were performed to evaluate the earthquake resistance such as stiffness, load-carrying capacity, ductility, and energy dissipation per load cycle. The strap-braced and sheeted stud panels were used as the primary lateral load-resistant element of the modular building units. Test results showed that the modular building units using the strap-braced and sheeted stud panels exhibited excellent post-yield ductile behaviors. The maximum drift ratios were greater than 5.37% and the displacement ductility ratios were greater than 5.76. However, the energy dissipation per load cycle was poor due to severe pinching during cyclic loading. Nominal strength, stiffness, and yield displacement of the modular building units were predicted based on plastic mechanisms. The predictions reasonably and conservatively correlated with the test results. However, the elastic stiffness of the strap-braced stud panel was significantly overestimated. For conservative design, the elastic stiffness of the strap-braced stud panel needs be decreased to 50% of the nominal value.
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.15
no.1
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pp.43-51
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2015
At present, in the case of small and medium window manufacturers in South Korea, glazing and window frame manufacturers are divided into separate businesses. However, in the fenestration energy consumption efficiency rating system and the energy-saving design criteria for buildings, the coefficient of overall heat transmission standard for windows is defined by window sets, which integrate glazing and window frames. At most construction sites, windows are constructed by installing separately supplied glass and frames. Research that can integrate the reality and the system is therefore necessary. The present study first investigated and analyzed the on-site situation of the fenestration energy consumption efficiency rating system. According to the results, while overall understanding of the fenestration energy consumption efficiency rating system was high, satisfaction with it was low, and the general practice at construction sites was to use windows assembled on site rather than integrated window systems manufactured at factories, thus making it difficult to confirm that the current rating system was well applied on site. Consequently, the reality of industrial sites must be reviewed and a realistic alternative to the fenestration energy consumption efficiency rating system must be presented instead of focusing on theory.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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pp.155-167
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2020
This paper demonstrates a real-time hybrid substructuring (RTHS) shake table test to evaluate the seismic performance of a base isolated building. Since RTHS involves a feedback loop in the test implementation, the frequency dependent magnitude and inherent time delay of the actuator dynamics can introduce inaccuracy and instability. The paper presents a robust stability and performance analysis method for the RTHS test. The robust stability method involves casting the actuator dynamics as a multiplicative uncertainty and applying the small gain theorem to derive the sufficient conditions for robust stability and performance. The attractive feature of this robust stability and performance analysis method is that it accommodates linearized modeled or measured frequency response functions for both the physical substructure and actuator dynamics. Significant experimental research has been conducted on base isolators and dampers toward developing high fidelity numerical models. Shake table testing, where the building superstructure is tested while the isolation layer is numerically modeled, can allow for a range of isolation strategies to be examined for a single shake table experiment. Further, recent concerns in base isolation for long period, long duration earthquakes necessitate adding damping at the isolation layer, which can allow higher frequency energy to be transmitted into the superstructure and can result in damage to structural and nonstructural components that can be difficult to numerically model and accurately predict. As such, physical testing of the superstructure while numerically modeling the isolation layer may be desired. The RTHS approach has been previously proposed for base isolated buildings, however, to date it has not been conducted on a base isolated structure isolated at the ground level and where the isolation layer itself is numerically simulated. This configuration provides multiple challenges in the RTHS stability associated with higher physical substructure frequencies and a low numerical to physical mass ratio. This paper demonstrates a base isolated RTHS test and the robust stability and performance analysis necessary to ensure the stability and accuracy. The tests consist of a scaled idealized 4-story superstructure building model placed directly onto a shake table and the isolation layer simulated in MATLAB/Simulink using a dSpace real-time controller.
According to the new directives about the rational and efficient use of energy, thermal bridges in buildings have to be avoided, and the thermal insulation (TI) layer should run without interruptions all around the building - even under its foundations. The paper deals with the seismic response of multi-storeyed reinforced concrete (RC) frame building structures founded on an extruded polystyrene (XPS) layer placed beneath the foundation slab. The purpose of the paper is to elucidate the problem of buildings founded on a TI layer from the seismic resistance point of view, to assess the seismic behaviour of such buildings, and to search for the critical parameters which can affect the structural and XPS layer response. Nonlinear dynamic and static analyses were performed, and the seismic response of fixed-base (FB) and thermally insulated (TI) variants of nonlinear RC building models were compared. Soil-structure interaction was also taken into account for different types of soil. The results showed that the use of a TI layer beneath the foundation slab of a superstructure generally induces a higher peak response compared to that of a corresponding system without TI beneath the foundation slab. In the case of stiff structures located on firm soil, amplification of the response might be substantial and could result in exceedance of the superstructure's moment-rotation plastic hinge capacities or allowable lateral roof and interstorey drift displacements. In the case of heavier, slenderer, and higher buildings subjected to stronger seismic excitations, the overall response is governed by the rocking mode of oscillation, and as a consequence the compressive strength of the XPS could be insufficient. On the other hand, in the case of low-rise and light-weight buildings, the friction capacity between the layers of the applied TI foundation set might be exceeded so that sliding could occur.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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