The ground acceleration measured at a point on the earth's surface is composed of several waves that have different phase velocities, arrival times, amplitudes, and frequency contents. For instance, body waves contain primary and secondary waves that have high frequency content and reach the site first. Surface waves are composed of Rayleigh and Love waves that have lower phase velocity, lower frequency content and reach the site next. Some of these waves could be of more damage to the structure depending on their frequency content and associated amplitude. This paper models critical earthquake loads for single-degree-of-freedom (SDOF) inelastic structures considering evolution of the seismic waves in time and frequency. The ground acceleration is represented as combination of seismic waves with different characteristics. Each seismic wave represents the energy of the ground motion in certain frequency band and time interval. The amplitudes and phase angles of these waves are optimized to produce the highest damage in the structure subject to explicit constraints on the energy and the peak ground acceleration and implicit constraints on the frequency content and the arrival time of the seismic waves. The material nonlinearity is modeled using bilinear inelastic law. The study explores also the influence of the properties of the seismic waves on the energy demand and damage state of the structure. Numerical illustrations on modeling critical earthquake excitations for one-storey inelastic frame structures are provided.
Stress waves have been used for geophysical and geotechnical applications for more than 50 years. The early-stage applications were simply based on travel-time measurements of stress waves and limited to site characterization. Currently stress-wave techniques are expanded to monitoring processes for grouting of damaged geotechnical structures, compaction of embankment, and deformational analyses for static geotechnical problems. Seismic techniques used to be good enough for rough estimators of engineering properties. Nowadays, the sophisticated modeling theory of stress-wave propagation substantially improved reliability and accuracy of the seismic techniques. In this paper, difficulties involved in currently available seismic techniques are discussed and analyzed. Herein some recently-developed non-intrusive seismic techniques, which make optimal use of stress waves for further improvement of reliability and accuracy, are also presented.
In order to obtain more reliable data for the information on the ground, a new site Investigation method is proposed, in which seismic waves (S-waves) generated by the Swedish Ram Sounding Test (SRS) are used. It is indicated that the energy transferred from the hammer to the rod in SRS's is much more stable, compared to SPT's. A series of SRS with measurements of seismic waves at the ground surface were carried out to clarify the characteristics of seismic wave propagation in the ground. As the results of comparison between seismic S-wave amplitudes and $N_d$ (blow count for 20 cm penetration in SRS), it was found that amplitudes of S-waves generated by SRS correlate well with $N_d$. The amplitude of the S-wave is thought to be more adequate parameter for the soil strength and rigidity than $N_d$.
The aim of this study is to investigate arrival direction effects of travelling waves on non-linear seismic response of arch dams. It is evident that the seismic waves may reach on the dam site from any direction. Therefore, this study considers the seismic waves arrive to the dam site with different angles, ${\theta}=0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$, and $90^{\circ}$ for non-linear analysis of arch dam-water-foundation interaction system. The N-S, E-W and vertical component of the Erzincan earthquake, on March 13, 1992, is used as the ground motion. Dam-water-foundation interaction is defined by Lagrangian approach in which a step-by-step integration technique is employed. The stress-strain behavior of the dam concrete is idealized using three-dimensional Drucker-Prager model based on associated flow rule assumption. The program NONSAP is employed in response calculations. The time-history of crest displacements and stresses of the dam are presented. The results obtained from non-linear analyses are compared with that of linear analyses.
The dynamic structural responses are sensitive to the time-frequency content of seismic waves, and seismic input motions in time-history analysis are usually required to be compatible with design response spectra according to nuclear codes. In order to generate spectra-compatible input motions while maintaining the intrinsic non-stationarity of seismic waves, an improved time-domain approach is proposed in this paper. To maintain the nonstationary characteristics of the given seismic waves, a new time-frequency envelope function is constructed using the Hilbert amplitude spectrum. Based on the intrinsic mode functions (IMFs) obtained from given seismic waves through variational mode decomposition, a new corrective time history is constructed to locally modify the given seismic waves. The proposed corrective time history and time-frequency envelope function are unique for each earthquake records as they are extracted from the given seismic waves. In addition, a dimension reduction iterative technique is presented herein to simultaneously superimpose corrective time histories of all the damping ratios at a specific frequency in the time domain according to optimal weights, which are found by the genetic algorithm (GA). Examples are presented to show the capability of the proposed approach in generating spectra-compatible time histories, especially in maintaining the nonstationary characteristics of seismic records. And numerical results reveal that the modified time histories generated by the proposed method can obtain similar dynamic behaviors of AP1000 nuclear power plant with the natural seismic records. Thus, the proposed method can be efficiently used in the design practices.
강릉지역은 유기질토가 생성되기 적합한 환경을 지닌 지역으로 유기질토 상부와 하부에 퇴적 모래층이 분포되어 있는 충적층 지반이 존재한다. 본 연구는 모래층 사이에 유기질토 및 점토가 협재된 지반 상부에 조성된 강릉지역을 통과하는 철도노반의 내진 안전성을 평가하기 위하여 상사율을 고려한 철도노반 및 지반 모형을 제작하여 진동대 시험을 실시하고 유효응력 해석 결과값을 비교하여 내진 안정성을 평가하였다. 적용된 지진파는 인공지진파, 경주지진파, Borah 지진파, Nahanni 지진파, Tabas 지진파를 적용하였으며 상부 모래층의 최대 응답가속도는 0.239g(인공지진파), 과잉간극수압비는 0.509(Borah파)가 발생하는 것으로 분석되었다. 신설노반의 하부지반에 적용된 jet grouting에 의한 지반보강 효과로 인해 신설 노반의 발생변위는 기존노반에 비해 최소 33.7%에서 최대 56.7% 감소한 것으로 나타났다. 진동대 시험결과는 Flac 프로그램의 Finn 모델을 적용한 유효응력해석으로 검증하였으며, 진동대 시험값과 유사한 경향을 나타내었다.
Land seismic reflection survey has been increasingly demanded in various civil engineering works because of its own ability to delineate layers, water table, to detect cavities or fracture zones, to estimate seismic velocities of each layer. However, our shallow subsurface structures are very complex. The relatively thin layer(mostly soil) to the wavelength directly followed by a basic rock with high impedance used to generate complicated surface waves, kind of channel waves with high amplitude that is dominate in entire seismograms and hence the useful reflection events will be almost hopelessly immersed in the undesired surface waves. Thus, it would seem that the use of traditional seismic survey could not be likely to provide in itself a satisfactory information about our exploration targets. This paper hence introduces an efficient measuring strategy illustrating a properly controlled arrangement of the vertical single force sources commonly used, yielding a very sharply elongated form of P-energy with a minimum of S radiation energy, what we call, P-beam source. Abundant experiments of physical modeling showed that in that way the surface waves could be enormously reduced and the reflection events would be additive and thus reinforced. Examples of field data are also illustrated. The contribution of P-beam source will be great in civil engineering area as well as in general geological exploration area.
This study analyses the seismic response of a three-dimensional (3-D) rigid massless square foundation resting or embedded in a viscoelastic soil limited by rigid bedrock. The foundation is subjected to harmonic oblique seismic waves P, SV, SH and R. The key step is the characterization of the soil-foundation interaction by computing the impedance matrix and the input motion matrix. A 3-D frequency boundary element method (BEM) in conjunction with the thin layer method (TLM) is adapted for the seismic analysis of the foundation. The dynamic response of the rigid foundation is solved from the wave equations by taking into account the soil-foundation interaction. The solution is formulated using the frequency BEM with the Green's function obtained from the TLM. This approach has been applied to analyze the effect of soilstructure interaction on the seismic response of the foundation as a function of the kind of incident waves, the angles of incident waves, the wave's frequencies and the embedding of foundation. The parametric results show that the non-vertical incident waves, the embedment of foundation, and the wave's frequencies have important impact on the dynamic response of rigid foundations.
In the event of an earthquake, non-structural components require seismic performance to ensure evacuation routes and to protect lives from falling non-structural components. Accordingly, the seismic design code proposes horizontal force for the design and evaluation of non-structural components. Ground motion observed on each floor is affected by a building's eigen vibration mode. Therefore, the earthquake damage of non-structural components is determined by the characteristics of the non-structural component system and the vibration characteristics of the building. Floor response spectra in the seismic design code are estimated through time history analysis using seismic waves. However, it is difficult to use floor response spectra as a design criterion because of user-specific uncertainties of time history analysis. In addition, considering the response characteristics of high-rise buildings to long-period ground motions, the safety factor of the proposed horizontal force may be low. Therefore, this study carried out the horizontal force review proposed in the seismic design code through dynamic analysis and evaluated the floor response of seismic waves considering buildings and predominant periods of seismic waves.
Most seismic sea waves in the East Sea originate from earthquakes occurring near the Japanese west coast. While the waves propagate in the East Sea, they are deformed by refraction, diffraction and scattering. Though the Boussinesq equation is most applicable for such wave phenomena, it was not used in numerical modelling of seismic sea waves in the East Sea. To examine characteristics of seismic sea waves in the East Sea, numerical models based on the Boussinesq equation are established and used to simulate recent tsunamis. By considering Ursell parameter and Kajiura parameter, it is proved that Boussinesq equation is a proper equation for seismic sea waves in the East Sea. Two models based on the Boussinesq equation and linear wave equation are executed with the same initial conditions and grid size ($1min{\times}1min$), and the results are compared in various respects. The Boussinesq equation model produced better results than the linear model in respect to wave propagation and concentration of wave energy. It is also certified that the Boussinesq equation model can be used for operational purpose if it is optimized. Another Boussinesq equation model whose grid size is $40sec{\times}30sec$ is set up to simulate the 1983 and 1993 tsunamis. As the result of simulation, new propagation charts of 2 seismic sea waves focused on the Korean east coast are proposed. Even though the 1983 and 1993 tsunamis started at different areas, the propagation paths near the Korean east coast are similar and they can be distinguished into 4 paths. Among these, total energy and propagating time of the waves passing over North Korea Plateau(NKP) and South Korea Plateau(SKP) determine wave height at the Korean east coast. In case of the 1993 tsunami, the wave passing over NKP has more energy than the wave over SKP. In case of the 1983 tsunami, the huge energy of the wave passing over SKP brought about great maximum wave heights at Mukho and Imwon. The Boussinesq equation model established in this study is more useful for simulation of seismic sea waves near the Korean east coast than it is the Japanese coast. To improve understanding of seismic sea waves in shallow water, a coastal area model based on the Boussinesq equation is also required.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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