Design criteria, modeling rules, and analysis principles of seismic isolation systems have already found place in important building codes and standards such as the Uniform Building Code and ASCE/SEI 7-05. Although real behaviors of isolation systems composed of high damping or lead rubber bearings are nonlinear, equivalent linear models can be obtained using effective stiffness and damping which makes use of linear seismic analysis methods for seismic-isolated buildings possible. However, equivalent linear modeling and analysis may lead to errors in seismic response terms of multi-story buildings and thus need to be assessed comprehensively. This study investigates the accuracy of equivalent linear modeling via numerical experiments conducted on generic five-story three dimensional seismic-isolated buildings. A wide range of nonlinear isolation systems with different characteristics and their equivalent linear counterparts are subjected to historical earthquakes and isolation system displacements, top floor accelerations, story drifts, base shears, and torsional base moments are compared. Relations between the accuracy of the estimates of peak structural responses from equivalent linear models and typical characteristics of nonlinear isolation systems including effective period, rigid-body mode period, effective viscous damping ratio, and post-yield to pre-yield stiffness ratio are established. Influence of biaxial interaction and plan eccentricity are also examined.
Seismic isolation is a viable strategy for protecting safety-related nuclear structures from the effects of moderate to severe earthquake shaking. Although seismic isolation has been deployed in nuclear structures in France and South Africa, it has not seen widespread use because of limited new build nuclear construction in the past 30 years and a lack of guidelines, codes and standards for the analysis, design and construction of isolation systems specific to nuclear structures. The funding by the United States Nuclear Regulatory Commission of a research project to the Lawrence Berkeley National Laboratory and MCEER/University at Buffalo facilitated the writing of a soon-to-be-published NUREG on seismic isolation. Funding of MCEER by the National Science Foundation led to research products that provide the technical basis for a new section in ASCE Standard 4 on the seismic isolation of safety-related nuclear facilities. The performance expectations identified in the NUREG and ASCE 4 for seismic isolation systems, and superstructures and substructures are described in the paper. Robust numerical models capable of capturing isolator behaviors under extreme loadings, which have been verified and validated following ASME protocols, and implemented in the open source code OpenSees, are introduced.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.21
no.6
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pp.265-275
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2017
In order to improve the seismic performance of structures, friction pendulum system (FPS) is the most commonly used seismic isolation device in addition to lead rubber bearing (LRB) in high seismicity area. In a nuclear power plant (NPP) with a large self weight, it is necessary to install a large number of seismic isolation devices, and the position of the center of rigidity varies depending on the arrangement of the seismic isolation devices. Due to the increase in the eccentricity, which is the difference between the center of gravity of the nuclear structure and the center of stiffness of the seismic isolators, an excessive seismic response may occur which could not be considered at the design stage. Three different types of eccentricity models (CASE 1, CASE 2, and CASE 3) were used for seismic response evaluation of seismically isolated NPP due to the increase of eccentricity (0%, 5%, 10%, 15%). The analytical model of the seismic isolation system was compared using the equivalent linear model and the bilinear model. From the results of the seismic response of the seismically isolated NPP with increasing eccentricity, it can be observed that the effect of eccentricity on the seismic response for the equivalent linear model is larger than that for the bilinear model.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.4
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pp.169-176
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2020
When an unexpected excessive seismic load is applied to the base isolation of arch structure, the seismic displacement of the base isolation may be very large beyond the limit displacement of base isolation. These excessive displacement of the base isolation causes a large displacement in the upper structure and large displacement of upper structure causes structural damage. Therefore, in order to limit the seismic displacement response of the base isolation, it is necessary to install an additional device such as an anti-uplift device to the base isolation. In this study, the installation direction of the base isolation and the control performance of the base isolation installed anti-uplift device were investigated. The installation direction of the base isolation of the arch structure is determined by considering the horizontal and vertical reaction forces of the arch structure. In addition, the separation distance of the anti-uplift device is determined in consideration of the design displacement of the base isolation and the displacement of the arch structure.
The uneven distribution of rolling friction coefficient may lead to great uncertainty in the structural seismic isolation performance. This paper attempts to improve the isolation performance of a spring-damper-rolling isolation system by artificially making the uneven friction distribution to be concave. The rolling friction coefficient gradually increases when the isolator rolls away from the original position during an earthquake. After the spring-damper-rolling isolation system under different ground motions was calculated by a numerical analysis method, the system obtained more regular results than that of random uneven friction distributions. Results shows that the concave friction distribution can not only dissipate the earthquake energy, but also change the structural natural period. These functions improve the seismic isolation efficiency of the spring-damper-rolling isolation system in comparison with the random uneven distribution of rolling friction coefficient, and always lead to a relatively acceptable isolation state even if the actual earthquake significantly differs from the design earthquake.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.6
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pp.291-299
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2014
There has been an increasing demand for introducing a base isolation system to secure the seismic safety of a nuclear power plant. However, the design criteria and the safety assessment methodology of a base isolated nuclear facility are still being developed. A performance based design concept for the base isolation system needs to be added to the general seismic design procedures. For the base isolation system, the displacement responses of isolators excited by the extended design basis earthquake are important as well as the design displacement. The possible displacement response by the extended design basis earthquake should be limited less than the failure displacement of the isolator. The failure of isolators were investigated by an experimental test to define the ultimate strain level of rubber bearings. The uncertainty analysis, considering the variations of the mechanical properties of isolators and input ground motions, was performed to estimate the probabilistic distribution of the isolator displacement. The relationship of the displacement response by each ground motion level was compared in view of a period elongation and a reduction of damping. Finally, several examples of isolator parameters are calculated and the considerations for an acceptable isolation design is discussed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.3
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pp.141-150
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2014
A methodology to evaluate the seismic performance of interface piping systems that cross the isolation interface in the seismically isolated nuclear power plant (NPP) was developed. The developed methodology was applied to the safety-related interface piping system to demonstrate the seismic performance of the target piping system. Not only the seismic performance for the design level earthquakes but also the performance for the beyond design level earthquakes were evaluated. Two artificial seismic ground input motions which were matched to the design response spectra and two historical earthquake ground motions were used for the seismic analysis of piping system. The preliminary performance evaluation results show that the excessive relative displacements can occur in the seismically isolated piping system. If the input ground motion contained relatively high energy in the low frequency region, we could find that the stress response of the piping system exceed the allowable stress level even though the intensity of the input ground motion is equal to the design level earthquake. The structural responses and seismic performances of piping system were varied sensitively with respect to the intensities and frequency contents of input ground motions. Therefore, for the application of isolation system to NPPs and the verification of the safety of piping system, the seismic performance of the piping system subjected to the earthquake at the target NPP site should be evaluated firstly.
Park, Young-Gee;Ha, Sung Hoon;Woo, Jae Kwan;Choi, Seung-Bok;Kim, Hyun
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.04a
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pp.401-406
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2013
This paper presents experimental evaluation of IRE (isolation roller bearing) seismic isolation device. From the combination of base isolation on the IRE system displacement response spectrum and acceleration response spectrum, the compressive strength and the coefficient of friction experiments. Also the IRE system is evaluated by environment test according to KS standards. Both the resonance and seismic experiments using a combination of the IRE and Natural Rubber Bearing (NRB) are performed in order to analyze the seismic isolation of the IRE system dynamic characteristics. For the given load and exciting frequency, the resonant frequency becomes lower, but the resonant magnification remains to be same. However, it is shown that when we consider the IRE only, the vibration on the table with the horizontal movement and the independent horizontal displacement due to the rolling motion of the plate and roller are significantly reduced. This result verifies that the proposed optimal design method of the IRE system is very effective.
In this paper, the seismic analysis modeling technologies for sodium-cooled fast reactor (SFR) are presented with detailed descriptions for each structure, system and component (SSC) model. The complicated reactor system of pool type SFR, which is composed of the reactor vessel, internal structures, intermediate heat exchangers, primary pumps, core assemblies, and core support structures, is mathematically described with simple stick models which can represent fundamental frequencies of SSC. To do this, detailed finite element analyses were carried out to identify fundamental beam frequencies with consideration of fluid added mass effects caused by primary sodium coolant contained in the reactor vessel. The calculation of fluid added masses is performed by detailed finite element analyses using FAMD computer program and the results are discussed in terms of the ways to be considered in a seismic modeling. Based on the results of seismic time history analyses for both seismic isolation and non-isolation design, the functional requirements for relative deflections are discussed, and the design floor response spectra are proposed that can be used for subsystem seismic design.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.2
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pp.45-54
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2018
The seismically isolated nuclear power plants shall be designed for design basis earthquake (DBE) and considered to ensure safety against beyond design basis earthquake (BDBE). In order to limit the excessive displacement of the seismic isolation system of the seismically isolated structure, the moat is installed at a certain distance from the upper mat supporting the superstructure. This certain distance is called clearance to stop (CS) and is calculated from the 90th percentile displacement of seismic isolation system subjected to BDBE. For design purposes, the CS can be obtained simply by multiplying the median displacement of the seismic isolation system against DBE by scale factor with a value of 3. The DBE and BDBE used in this study were generated by using 30 sets of artificial earthquakes corresponding to the nuclear standard design spectrum. In addition, latin hyper cube sampling was applied to generate 30 sets of artificial earthquakes corresponding to maximum - minimum spectra. For the DBE, the median displacement and the 99th percentile displacement of the seismic isolation system were calculated. For the BDBE, the suitability of the scale factor was assessed after calculating the 90th percentile displacement of the seismic isolation system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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